ava gem incremenntal de ados com sae 1020 e ep04 · 2016-10-10 · seguir em frente e terminar tudo...
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Maria Fernanda Lousada Antunes
Avaliação Numérica da estampagem incremental de Blanks
soldados com SAE 1020 e EP04
Dissertação apresentada ao Curso de
Mestrado da Universidade Federal de São João
del Rei, como requisito para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Materiais e Processos
de Fabricação
Orientador: Márcio Eduardo Silveira (UFSJ)
Coorientador: Jánes Landre Júnior (PUC-MG)
São João Del Rei, 2015.
Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJi
Antunes, Maria Fernanda Lousada A636a Avaliação numérica da estampagem incremental de blanks soldados com SAE 1020 e
EP04 [manuscrito] / Maria Fernanda Lousada Antunes . – 2015. 117f. ; il.
Orientador: Márcio Eduardo Silveira. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de
Engenharia Mecânica. Referências: f. 118-122.
1. Estampagem incremental 2. Blanks soldados 3. Simulação numérica 4. Engenharia
mecânica I. Silveira, Márcio Eduardo (orientador) II. Universidade Federal de São João del- Rei. Departamento de Engenharia Mecânica III. Título
CDU 621
4
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha mãe, Cleonice,
que nunca poupou esforços para os meus
estudos e que sempre foi a maior incentivadora
para que esse mestrado fosse concluído e que os
rumos da área acadêmica fossem seguidos.
5
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus que me deu saúde e força para chegar ao fim
deste trabalho e me iluminar nas minhas decisões.
À minha mãe Cleonice que esteve sempre ao meu lado me incentivando a
seguir em frente e terminar tudo que eu me propusesse a fazer.
Ao Ronan, pelo amor e companheirismo mesmo a distância nesse tempo de
mestrado na UFSJ.
Ao Prof. Dr. Márcio Eduardo Silveira pela orientação, disponibilidade, interesse
e compreensão para com seus orientandos, contribuindo para um bom
desenvolvimento deste trabalho.
Aos colegas do LASIN pelo apoio de sempre e a Altair pela licença do software
utilizado.
Ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da UFSJ por toda a
organização desde o processo seletivo.
Á Capes, pelo auxílio financeiro.
À Universidade Federal de São João Del Rei pela infraestrutura oferecida.
Ao Basquete Feminino do Atletic e ao Handebol da UFSJ por todos os
momentos de descontração.
Ao DEPEB pelas aulas ministradas que foram muito mais que um estágio de
docência e auxílio financeiro.
E por fim, a minha querida UFV e seus professores que me deram a base
necessária para que esse mestrado pudesse ser concluído.
6
EPÍGRAFE
“A vontade de se preparar tem que ser maior do que a vontade de vencer. Vencer será consequência da boa preparação.”
Bernardinho
7
RESUMO
A estampagem convencional de chapas é um processo de conformação
mecânica no qual a chapa sofre transformações para que uma nova forma
geométrica seja conseguida. O processo de estampagem incremental é uma
alternativa ao convencional quando o interesse está em protótipos, pequenos lotes e
facilidade com máquinas operatrizes. De forma a melhorar os processos de
fabricação o uso de tailored Blanks é cada vez maior nas indústrias, visto que se
consegue economia de peso, tempo e custo com uso de chapas mais grossas ou de
materiais diferentes em apenas pontos específicos da peça. A fim de otimizar esse
processos de produção, a simulação numérica pode ser usada para prever falhas,
esforços, tensões, deformações dentre outros. Considerando que a estampagem
profunda em tailored blanks ainda tenha poucos estudos na comunidade acadêmica
e a estampagem incremental seja uma técnica nova ainda não muito difundida na
indústria e universidades, o presente trabalho se propôs a estudar a estampagem
incremental de tailored blanks, modelado através de descontinuidade material e
geométrica, com diferentes espessuras dos materiais SAE1020 e EP04. O estudo foi
feito em elementos finitos variando trajetórias helicoidal, incremental e incremental
reversa e os próprios Tailored Blanks formados por apenas um material com
descontinuidade geométrica, bem como elementos de superfícies e sólidos,
analisando tensões, deformações, forças de reação, redução de espessura e
distorção da linha de solda. Foi possível ver que há diferença na distorção da linha
de solda e nas forças de reação em função da trajetória. E que as tensões na região
de união dos materiais são menores do que fora dela. Também há concentração de
tensão na região de solda mesmo quando a esfera não se encontra sobre ela e o
modelo se aproxima de um estado plano de deformação.
Palavras-chave: Estampagem Incremental, Tailored Blanks, Simulação Numérica.
8
ABSTRACT
The conventional sheet metal forming is a mechanical forming process in which
the sheet suffers transformation to a new geometric shape. The incremental sheet
forming process is an alternative to conventional when the interest is in prototypes,
small batches and easily with machine tools. In order to improve the manufacturing
processes the use of tailored blanks is increasingly in industry, since it can save
weight, time and costs using thicker sheet or different materials only specific points
on the workpiece. In order to optimize this production process, the numerical
simulation can be used to predict failures, efforts, stresses, strains and others.
Whereas deep drawing in tailored blanks still has few studies in the academic
community and the incremental sheet forming is a new technique not widespread yet
in industry and universities, this work aims to examine the incremental forming of
tailored blanks, modeled by geometric and material discontinuity with different
thicknesses of the SAE1020 and EP04. The study was done in finite elements
varying paths spiral, reverse incremental and incremental and own Tailored blanks
formed by only one material and geometric discontinuity, as well as elements of
surfaces and solid, analyzing stresses, strains, reaction forces, thickness reduction
and welding line distortion. It was possible to see that there is a difference in the weld
line distortion and the reaction forces due to the trajectory. And the stress in the
joining region of the materials are lower than elsewhere. There stress concentration
at the weld region even when the ball is not on it and the model approaches a plane
strain state.
Key words: Incremental Sheet Forming, Tailored Blanks, Finite Elements.
9
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Desenho esquemático de uma matriz simples para estampagem. .......... 26
Figura 2 – Métodos de Reestampagem .................................................................... 27
Figura 3 – Processo EI realizado em CNC com uso de suporte para a chapa e
ferramenta de contato semiesférica. ......................................................................... 28
Figura 4 – Cone de Alumínio conformado por EI. ..................................................... 29
Figura 5 – Esquema SPIF. As setas orientadas mostram o movimento do punção ao
longo de uma vista de perfil do processo SPIF. ........................................................ 30
Figura 6 – Variáveis do processo de estampagem incremental com um ponto de
contato e com 2 pontos. ............................................................................................ 31
Figura 7 – Representação Esquemática de vista da seção do processo de
estampagem incremental com um único ponto de contato. ...................................... 31
Figura 8 – Estratégias de EI em múltiplos estágios em SPIF. ................................... 35
Figura 9 – Regiões de deformação e fraturas típicas no SPIF. ................................. 36
Figura 10 – Estado de tensões no elemento de membrana sujeito ao SPIF. Em (a), a
representação do elemento em perspectiva. Em (b), a representação do elemento
após ser cortado por um plano meridional axial, sendo visto do topo. Em (c), detalhe
da vista de (b), mostrando as tensões atuantes. ....................................................... 37
Figura 11 – Determinação das curvas limite de fratura na conformação (FFL e SFFL)
a partir das deformações na fratura obtidas por SPIF e testes de cisalhamento. ..... 40
Figura 12 – Representação de algumas peças de um carro para passageiros onde
são usados tailor welded blanks. ............................................................................... 42
Figura 13 – Definição da geometria e orientação da chapa a ser conformada. ........ 43
Figura 14 – Cone truncado após EI em chapas de Alumínio unidos por solda fricção.
Formabilidade alta em (a) fraturas ao longo do ponto de solda em (b) fratura
subsequente na base do cone desencadeada pela solda em (c) raio-x da solda em
(d). ............................................................................................................................. 47
Figura 15 – Passos principais na análise de uma estrutura. ..................................... 48
Figura 16 – Análise Linear Estática [K]{u}={F}. Principais Etapas MEF. ................... 49
Figura 17 – Tipos de elementos 1D, 2D e 3D. .......................................................... 49
Figura 18 – Malha grosseira e refinada composta por triângulos. ............................. 50
Figura 19 – Simulação Numérica de um processo de Estampagem Incremental de
chapas conformando um cone truncado. .................................................................. 53
10
Figura 20 – Previsão da espessura da chapa para Tailored Blanks obtidos por
laminação. ................................................................................................................. 53
Figura 21 – Sequencia de atividades a serem desenvolvidas durante o projeto. ...... 56
Figura 22 – SPIF de uma chapa em alumínio com ferramenta evidenciada. ............ 56
Figura 23 – Modelamento no pré-processamento da chapa em TB e punção em
formato de esfera. ..................................................................................................... 57
Figura 24 – Representação Esquemática do Tailored Blank com FEP04 e Aço SAE
1020 .......................................................................................................................... 58
Figura 25 – Máquina de ensaio de tração da UFSJ. ................................................. 59
Figura 26 – Corpo de prova fraturado após ensaio de tração. .................................. 60
Figura 27 – Tensão deformação SAE 1020. ............................................................. 60
Figura 28 – Tensão deformação EP04 ...................................................................... 61
Figura 29 – Energias cinética e de deformação do sistema em relação ao tempo da
simulação numérica. ................................................................................................. 62
Figura 30 – Ferramenta usada para fazer a estampagem incremental no CNC. ...... 63
Figura 31 – Cone a ser estampado com ângulo de estampagem de 60º e truncado
numa altura de 20 mm. ............................................................................................. 64
Figura 32 – Cone a ser estampado com ângulo de estampagem de 60º e truncado
numa altura de 60 mm .............................................................................................. 64
Figura 33 – Caminho adotando trajetória helicoidal. ................................................. 65
Figura 34 – Caminho adotando trajetória incremental. .............................................. 65
Figura 35 – Caminho adotando trajetória incremental reversa. ................................. 66
Figura 36 – Malha circular utilizada para modelamento do cone truncado em 20mm.
.................................................................................................................................. 67
Figura 37 – Modelamento da espessura da malha com elementos 2D. .................... 67
Figura 38 – Malha circular utilizada para modelamento do cone truncado em 60mm.
.................................................................................................................................. 68
Figura 39 – Malha 3D evidenciando elementos ao longo da espessura. .................. 68
Figura 40 – Posição 1 de onde foram retirados os elementos para análises de tensão
e deformação. ........................................................................................................... 69
Figura 41 – Posição dos Pontos fora da solda onde foram retirados os elementos. . 69
Figura 42 – Posições A, B, C, D e E para a esfera sobre os elementos 1020 -> EP04.
.................................................................................................................................. 70
11
Figura 43 – Elementos 1, 2, 3, 4 e 5 para SAE 1020 e 1, 2, 3 e 4 para EP04. ......... 71
Figura 44 – Posição inicial dos nós 1036, 1050, 1649, 2887 e 2901 na malha da
chapa a ser conformada. ........................................................................................... 73
Figura 45 – Posição ao final do processo de conformação das chapas dos nós 1036,
1050, 1649, 2887 e 2901 na malha da chapa a ser conformada. ............................. 74
Figura 46 – Posição ao final do processo de conformação das chapas dos nós 1036,
1050, 1649, 2887 e 2901 na malha da chapa a ser conformada. ............................. 77
Figura 47 – Espessura final obtida para as três trajetórias analisadas. .................... 79
Figura 48 – Espessura final obtida para os três TB. .................................................. 79
Figura 49 – Secção média do cone mostrando o perfil em 3D. ................................. 80
Figura 50 – Direções de medida de espessura para comparação. ........................... 80
Figura 51 – Espessura para as três direções na trajetória helicoidal em 3D. ............ 81
Figura 52 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória helicoidal em 2D e 3D. .... 82
Figura 53 – Magnitude das forças de contato observadas nas três trajetórias:
helicoidal, incremental e incremental reversa. ........................................................... 83
Figura 54 – Magnitude das Forças de contato observadas nas três trajetórias:
helicoidal, incremental e incremental reversa 4,7s – 5s. ........................................... 84
Figura 55 – Magnitude das Forças de contato observadas nas três trajetórias:
helicoidal, incremental e incremental reversa 4,8s – 4,82s. ...................................... 84
Figura 56 – Magnitude das Forças de contato na direção XX, YY e ZZ para uma
mesma trajetória: helicoidal. ...................................................................................... 85
Figura 57 – Magnitude das Forças de contato na direção ZZ trajetória incremental
2D e 3D. .................................................................................................................... 85
Figura 58 – Magnitude das Forças de contato na direção ZZ para 3 TB. ................. 86
Figura 59 – Magnitude das Forças de contato na direção ZZ para 3 TB entre 5s e
5,4s. .......................................................................................................................... 86
Figura 60 – Vistas superior e Inferior do modelo 2D. ................................................ 87
Figura 61 – Tensão Superior de Von Misses para o final do processo onde não há
mais o contato entre a esfera e a chapa para as três trajetórias analisadas. ............ 88
Figura 62 – Tensão Inferior de Von Misses para o final do processo onde não há
mais o contato entre a esfera e a chapa para as três trajetórias analisadas. ............ 89
Figura 63 – Tensões residuais 2D inferior e superior e 3D na vista superior na
trajetória incremental. ................................................................................................ 89
12
Figura 64 – Tensões residuais 2D inferior e superior e 3D na vista inferior na
trajetória incremental . ............................................................................................... 89
Figura 65 – Tensões Inferiores para 3 Tailored Blanks analisados em 2D. Com
apenas 1020(a) 1020/EP04(b) e apenas EP04(c). .................................................... 90
Figura 66 – Tensão de Von Misses para o início de contato entre a esfera e a chapa
na vista superior para 2D e 3D. ................................................................................. 90
Figura 67 – Tensão residual na vista inferior da peça estampada utilizando
elementos 3D. ........................................................................................................... 91
Figura 68 – Tensão residual na vista superior da peça estampada utilizando
elementos 3D. ........................................................................................................... 92
Figura 69 – Tensão residual distribuída ao longo da espessura na região do SAE
1020. ......................................................................................................................... 92
Figura 70 – Concentração de tensão na região da solda no momento do contato na
trajetória helicoidal em 3D ......................................................................................... 93
Figura 71 – Concentração de tensão na região da solda no momento do contato na
trajetória helicoidal em 3D ......................................................................................... 93
Figura 72 – Tensão para elementos 3D próximos a linha de solda, nos tempos
8,222s e 8,225s. ........................................................................................................ 93
Figura 73 – Tensores XX, XY e YY no modelo 2D em dois elementos. .................... 94
Figura 74 – Tensores XX, XY, YY, YZ, ZZ e ZX no modelo 3D em um único
elemento.................................................................................................................... 95
Figura 75 – Tensões normais XX, YY, ZZ nos elementos do SAE 1020 fora da solda
à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ........................ 96
Figura 76 – Tensões normais XX, YY, ZZ nos elementos do EP04 fora da solda à
esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ........................... 97
Figura 77 – Tensões cisalhantes XY, YZ, ZX nos elementos do SAE 1020 fora da
solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ............ 100
Figura 78 – Tensões cisalhantes XY, YZ, ZX nos elementos do EP04 fora da solda à
esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ......................... 101
Figura 79 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do SAE1020, na
trajetória incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04 .......................................... 103
Figura 80 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do EP04, na trajetória
incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04 ........................................................ 104
13
Figura 81 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória helicoidal, sentido 1
no SAE 1020. .......................................................................................................... 106
Figura 82 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória helicoidal, sentido 1
no EP04. ................................................................................................................. 107
Figura 83 – Deformação plástica apresentada pelas três trajetórias ao final do
processo. ................................................................................................................. 108
Figura 84 – Deformação plástica apresentada pelos 3 TB para trajetória incremental.
................................................................................................................................ 109
Figura 85 – Deformação plástica apresentada pelos modelos 2D e 3D. ................. 109
Figura 86 – Deformação Plástica na vista inferior da peça estampada utilizando
elementos 3D. ......................................................................................................... 110
Figura 87 – Deformação Plástica na vista superior da peça estampada utilizando
elementos 3D. ......................................................................................................... 110
Figura 88 – Deformação Plástica distribuída ao longo da espessura na região do
SAE 1020. ............................................................................................................... 111
Figura 89 – Deformação Plástica distribuída ao longo da espessura na região do
EP04. ...................................................................................................................... 111
Figura 90 – Componentes das deformações principais .......................................... 112
Figura 91 – Deformações principais P1, P2 e P3 nos elementos do SAE 1020 fora da
solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ............ 113
Figura 92 – Deformações principais P1, P2 e P3 nos elementos do EP04 fora da
solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental. ............ 114
Figura 93 – Espessura para as três direções na trajetória incremental em 3D. ...... 123
Figura 94 – Espessura para as três direções na trajetória incremental reversa 3D.
................................................................................................................................ 123
Figura 95 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória incremental em 2D e 3D.
................................................................................................................................ 124
Figura 96 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória incremental reversa 2D e
3D. ........................................................................................................................... 125
Figura 97 – Tensão de Von Misses para o início de contato entre a esfera e a chapa
na vista inferior para 2D e 3D. ................................................................................. 126
Figura 98 – Tensão de Von Misses para o meio do contato entre a esfera e a chapa
na vista superior para 2D e 3D. ............................................................................... 126
14
Figura 99 – Tensão de Von Misses para o meio do contato entre a esfera e a chapa
na vista inferior para 2D e 3D. ................................................................................. 126
Figura 100 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do SAE 1020, na
trajetória helicoidal sentido 1: 1020 -> EP04. .......................................................... 127
Figura 101 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do EP04, na
trajetória helicoidal sentido 1: 1020 -> EP04. .......................................................... 128
Figura 102 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental,
sentido 1 no SAE 1020. ........................................................................................... 129
Figura 103 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental,
sentido 1 no EP04. .................................................................................................. 130
Figura 104 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental
reversa, sentido 1 no SAE 1020. ............................................................................. 131
Figura 105 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental
reversa, sentido 1 no EP04. .................................................................................... 132
Figura 106 – Deformações P1, P2 e P3 nos elementos do SAE1020 e EP04, na
trajetória helicoidal sentido 1: 1020 ->. EP04. ......................................................... 133
Figura 107 – Deformações P1, P2 e P3 nos elementos do SAE1020 e EP04, na
trajetória incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04. ......................................... 134
15
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Propriedades dos materiais utiliados no trabalho. ................................... 61
Tabela 2 – Propriedades Mecânicas do Aço Inox 304l ............................................. 62
Tabela 3 – Quantidades de nós e elementos das simulações .................................. 71
Tabela 4 – Atividades a serem desenvolvidas no presente trabalho. ........................ 72
Tabela 5 – Posições dos nós selecionados para cálculo do ângulo de distorção ..... 74
Tabela 6 – Ângulos aproximados de distorção para as três trajetórias analisadas. .. 75
Tabela 7 – Deslocamento X e Y Para as trajetórias. ................................................. 76
Tabela 8 – Posições dos nós selecionados para cálculo do ângulo de distorção ..... 77
Tabela 9 – Ângulos aproximados de distorção para os três TB de mesma trajetória
helicoidal. .................................................................................................................. 78
Tabela 10 – Deslocamento X e Y Para os três TB analisados na trajetória helicoidal
.................................................................................................................................. 78
Tabela 11 – Valores de tensão calculados segundo a literatura fora da linha de solda
.................................................................................................................................. 98
16
LISTA DE ABREVIATURAS
CLC – Curva limite de conformação
CNC – Centro de Usinagem por comando numérico
EI – Estampagem Incremental
EP04 – Aço para estampagem extra profunda código 04
ISF – Incremental Sheet Forming
MEF – Método de Elementos Finitos
SAE 1020 – Aço SAE 1020 com 0,20% de carbono de uso geral na indústria
TB – Tailored Blanks
TRB – Tailor Rolled Blanks
TWB – Tailor Welded Blanks
17
LISTA DE SÍMBOLOS
– Tensão circunferencial
– Tensão meridional
t – Tensão ao longo da espessura
r – Raio da ferramenta esférica utilizada
σ – Tensão de escoamento,
– espessura inicial da chapa conformada
– espessura final da chapa conformada
– taxa de deformação de referência
– deformação plástica verdadeira
t – espessura da chapa.
– tensão de escoamento
– módulo de encruamento
– coeficiente da taxa de deformação
– expoente de temperatura
– expoente de encruamento
– taxa de deformação
– ângulo de parede da peça
– tensão plástica verdadeira
18
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA ............................................................................................................ 4
AGRADECIMENTOS .................................................................................................. 5
EPÍGRAFE .................................................................................................................. 6
RESUMO..................................................................................................................... 7
ABSTRACT ................................................................................................................. 8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .......................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. 15
LISTA DE ABREVIATURAS ...................................................................................... 16
LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................... 17
SUMÁRIO .................................................................................................................. 18
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 20
2. JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 23
3. OBJETIVOS ....................................................................................................... 24
3.1. OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 24
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 24
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 25
4.1. CONFORMAÇÃO MECÂNICA ..................................................................... 25
4.2. ESTAMPAGEM CONVENCIONAL .............................................................. 26
4.3. ESTAMPAGEM INCREMENTAL ................................................................. 27
4.4. TAILORED BLANKS .................................................................................... 41
4.5. SIMULAÇÃO NUMÉRICA ............................................................................ 47
5. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 55
5.1. PROCESSO DE ESTAMPAGEM INCREMENTAL UTILIZADO. ................. 56
5.2. MATERIAIS UTILIZADOS. ........................................................................... 57
5.3. VELOCIDADE DE TRABALHO UTILIZADA: ................................................ 62
5.4. GEOMETRIA DA FERRAMENTA: ............................................................... 63
5.5. GEOMETRIA DA PEÇA A SER CONFORMADA......................................... 63
5.6. TRAJETÓRIAS UTILIZADAS NO PROCESSO: .......................................... 64
5.7. DEFINIÇÃO DE MALHAS E ELEMENTOS UTILIZADOS NA SIMULAÇÃO
NUMÉRICA ............................................................................................................ 66
5.8. MÁQUINAS USADAS E SIMULAÇÕES NUMÉRICAS ................................ 71
5.9. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS ................................................................. 72
19
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 73
6.1. DISTORÇÃO DA LINHA DE SOLDA ........................................................... 73
6.2. REDUÇÃO DE ESPESSURA ...................................................................... 79
6.3. FORÇAS DE CONTATO ENTRE A ESFERA E O TAILORED BLANK ....... 83
6.4. TENSÕES .................................................................................................... 87
6.4.1. TENSÕES VON MISES EM 2D E 3D ....................................................... 87
6.4.2. COMPONENTES DE TENSÃO EM 2D E 3D ........................................... 94
6.5. DEFORMAÇÕES ....................................................................................... 108
6.5.1. DEFORMAÇÕES DE VON MISES ......................................................... 108
6.5.2. COMPONENTES DE DEFORMAÇÃO EM 3D ....................................... 112
7. CONCLUSÕES ................................................................................................ 115
8. TRABALHOS FUTUROS ................................................................................. 117
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 118
10. APÊNDICES .................................................................................................. 123
20
1. INTRODUÇÃO
A indústria de transformação metal mecânica está sempre preocupada com a
utilização cada vez mais racional de seus recursos materiais e financeiros, bem
como no desenvolvimento de tecnologias que acompanhem esta realidade.
Processos não convencionais de fabricação surgem da necessidade da economia
de recursos. Os novos processos em grande parte das vezes se tornam
economicamente inviáveis, a não ser que sejam aplicados em larga escala, face aos
altos custos inerentes à sua implantação, mas existe um cenário produtivo que foge
a esta regra. No desenvolvimento de matrizes e operações de conformação
profunda, principalmente quando há necessidade do desenvolvimento de novos
produtos, produção em baixa escala e/ou geometrias complexas, uma solução que
tem se apresentado cada vez mais viável e com razoáveis limites de
conformabilidade, levando em consideração o material, é a Estampagem
Incremental de Chapas (EI), do inglês Incremental Sheet Forming (ISF).
O processo de Estampagem Incremental se trata da conformação de uma
chapa plana por meio de uma ferramenta metálica ou não, que segue uma trajetória
gerada por um centro de usinagem por comando numérico (CNC), a qual induz
pequenas deformações plásticas incrementais localizadas na região de contato da
ferramenta com a peça. Os últimos anos têm registrado um crescente
desenvolvimento dos processos de deformação plástica incremental, uma vez que
suas características se adaptam muito bem a algumas das novas exigências do
mercado. Tem-se a produção de pequenos lotes de componentes, a obtenção de
peças com elevada complexidade geométrica (as quais se tornariam inviáveis por
processos convencionais) e com necessidade da confecção de matrizes de
estampagem, protótipos para futura produção em larga escala, dentre outros.
Somam-se a estas facilidades o fato de se usar um centro de usinagem, em geral
facilmente encontrado, em que seus tempos de programação são pequenos e, para
a aplicação deste processo, o ferramental é, via de regra, muito simples.
Indústrias automotivas tem buscado redução de peso nos seus produtos e
baixo consumo de energia nos veículos. Um método eficiente para conseguir essa
redução de peso é a junção de duas ou mais chapas, onde seu material, espessura
e/ou superfície podem ser similares ou diferentes. Essas chapas unidas são
chamadas no inglês Tailored Blanks (TB) e existe a expressão blanks soldados,
21
ainda não muito utilizada, e por esse motivo será usado o termo em inglês nesse
trabalho, devido à dificuldade na tradução fiel e por também ser o termo utilizado nas
indústrias. Os Tailored Blanks podem ser confeccionados durante o processo de
laminação, do inglês Tailor Rolled blanks (TRB), unidos por algum processo de
soldagem, do inglês Tailor Welded Blanks (TWB), ou ainda por meio de tratamentos
térmicos ou reforços em regiões específicas das chapas. Os Tailor Welded Blanks
são mais usados devido à facilidade na união de duas chapas por meio de algum
processo de soldagem.
O processo convencional de estampagem em TB já vem sendo estudado a
mais tempo e o mesmo carrega em si algumas particularidades relativas à solda
envolvida no processo. É necessário que a solda feita nos blanks seja de boa
qualidade e é importante ressaltar que existe uma baixa ductilidade nas zonas
termicamente afetadas e uma distorção do cordão de solda durante o processo.
Como vantagens para o processo tem-se eliminação de reforços em pontos
específicos da peça e uma consequente otimização do processo de fabricação do
produto final.
Os fundamentos teóricos da Estampagem Incremental começaram a ser objeto
de atenção da comunidade científica internacional, nos últimos 15 anos, uma vez
que durante a primeira metade da década de 2000, os conhecimentos que se tinham
sobre eles eram praticamente os obtidos experimentalmente. Uma das etapas
críticas da viabilidade da sua utilização é a caracterização do material, que deve
suportar determinados estados de tensão sem se romper. No uso de TB a
caracterização do material bem como do método de união entre eles determina o
sucesso da estampagem incremental, já que os esforços no cordão de solda podem
ser muito agressivos, devido à zona termicamente afetada.
Com o advento das novas tecnologias e evolução do processamento dos
computadores e servidores de cálculo, utiliza-se o método de simulação numérica
para avaliar um processo ou desenvolvimento de um novo componente através de
simulações numéricas por meio de elementos finitos. Através desta técnica pode-se
ter uma ideia da avaliação das condições finais de uma peça antes dela ser
processada experimentalmente e assim achar melhores parâmetros de fabricação
que levem a melhores formas e geometrias finais em questão de tensões residuais,
distorção da forma geométrica, redução de espessura, dentre outros. Assim tem-se
22
uma previsão do que pode e deve ser feito, após um trabalho de correlação
experimental sobre os resultados numéricos obtidos.
Todas essas questões envolvendo simulação numérica, bem como TB já são
discutidas para o processo convencional de estampagem profunda e neste trabalho
a discussão foi feita acerca do uso de Tailored Blanks em Estampagem Incremental.
Este tema se justifica pela literatura ainda ser carente de uma análise profunda
desse processo e um estudo cada vez maior deste assunto traz confiança para a
comunidade acadêmica, a fim de aumentar os esforços para melhoria desta
tecnologia.
Neste trabalho foi feita a análise numérica do comportamento de um Tailor
welded blank durante um processo de estampagem incremental. Essa análise será
feita por meio de software de simulação por elementos finitos. Os materiais
escolhidos para serem unidos em TWB foram: aço SAE 1020 com 1,0 mm de
espessura e aço comercial para estampagem profunda de itens automotivos aço
EP04 com 0,8mm de espessura. Foram analisadas a redução de espessura,
distorção da linha de solda, forças, tensões e deformações residuais e, por fim,
estados de tensão e deformação durante o processo na linha de solda e fora dela.
23
2. JUSTIFICATIVA
Nos últimos anos o processo de fabricação por estampagem incremental tem
tido um grande número de pesquisas relacionadas principalmente ao entendimento
dos mecanismos de deformação, da resposta de novos materiais ao processo, da
configuração em múltiplos estágios para obtenção de geometrias com maiores
ângulos de trabalho e a ampliação da sua gama de aplicações. A aplicação deste
processo ao uso dos Tailored Blanks ainda não é tão estudada quanto o processo
de estampagem convencional do mesmo. Considerando que os TB são amplamente
utilizados na indústria e que existe pouco material encontrado na comunidade
científica sobre a EI destes, este trabalho se justificou pela obtenção de um estudo
detalhado do processo de EI aplicada ao TB buscando uma melhor compreensão do
estado de tensão e deformação que ocorre ao longo da linha de solda para melhor
entender as falhas que ocorrem neste processo, e assim se ter um respaldo maior
para o processo ainda pouco desenvolvido dentro da indústria e universidades
brasileiras.
24
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho foi fazer uma análise numérica do processo de
Estampagem Incremental em Tailor blanks, formados por Aço SAE 1020 com 1,0
mm de espessura e Aço EP04 com 0,8mm de espessura. A geometria da peça a ser
estampada foi um cone truncado. Foram realizadas simulações numéricas por meio
de elementos finitos a fim de avaliar a redução de espessura das chapas, distorção
da linha de junção entre as chapas, tensões residuais, deformações residuais,
estados de tensão e deformação e forças de reação do contato entre a ferramenta e
a chapa.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. A fim de avaliar a influência do tipo de trajetória nos resultados finais, sendo
elas: helicoidal, incremental e incremental reversa.
2. Diferente da estampagem convencional, na simulação numérica, o elemento
2D não é o mais indicado para uma modelagem de EI. Desta forma, na
simulação por MEF foram utilizados tanto elementos 2D quanto 3D a fim de
estudar o estado de tensão próximo à solda, bem como avaliar o diferença de
resultados quando utilizados elementos planos.
3. Na simulação numérica, foram avaliados também a força de reação no
punção durante o processo de estampagem incremental do tailored blank. A
força pode variar ao longo do caminho, uma vez que as chapas têm
espessuras e propriedades mecânicas diferentes.
4. Com o intuito de diminuir o custo computacional das simulações numéricas,
foram avaliadas 2 alturas de truncamento do cone a ser estampado: 20mm e
60 mm. Para a altura maior foram avaliadas a distorção da linha de solda e
redução de espessura e para a altura menor, foram analisadas as forças de
reação no contato da ferramenta com a chapa, as tensões residuais,
deformações residuais e os estados de tensão e deformação no momento do
contato na região onde há a união das duas chapas.
25
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para desenvolvimento e boa fluência de nossa revisão bibliográfica tem-se uma
divisão da mesma em diferentes, mas correlatas áreas de concentração e assim se
ter um bom entendimento até o final de todo o texto.
4.1. CONFORMAÇÃO MECÂNICA
Para OZTURK et al (2005) a conformabilidade de chapas metálicas é
geralmente definida como a capacidade do material deformar-se dentro de uma
forma definida sem estricção de espessura ou fratura. Cada tipo de chapa pode
suportar um determinado limite de deformação, que é usualmente associado ao
início da estricção localizada, que eventualmente leva à fratura dúctil.
Como visto em HELMAN et al (1993), a Conformação Mecânica tem por
objetivo a análise dos processos de fabricação por meio de deformação plástica.
Dentro desta área, é importante o estudo dos estados de tensões a que deve ser
submetido um material para nele produzir as deformações necessárias a fim de que
adquira determinadas dimensões finais. Os metais em geral possuem grande
capacidade de sofrer mudança de forma, fornecendo peças em condições
satisfatórias de uso, não desprezando os devidos limites para sua formabilidade.
Quando se submete um metal à tração pura, ele se deforma inicialmente de forma
uniforme, aparecendo depois uma deformação localizada na peça. Devido a este
fato é que a conformação dos metais se dá normalmente em condições envolvendo
tensões de compressão. A fratura de peças durante seu processamento é
frequentemente a maior limitação à conformação de metais. Não é necessária a
completa separação do produto em duas ou mais partes para que esteja
caracterizada a ocorrência de fraturas; a ruptura localizada comumente já é
suficiente para inutilizar a peça fabricada. Quando essas fraturas impõem um limite à
deformação que um material pode suportar, sequências de fabricação de metais
podem vir a ser fixadas de forma a se ter um maior controle sobre o processo,
evitando falhas.
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Para SILVA et al (2009) o estudo da capacidade de se usar uma máquina de
fresagem CNC (Comando Númerico Computadorizado), no lugar de um aparelho de
máquina-ferramenta desenvolvido para fins especiais por JESWIET (2001) e FILICE
et al (2002) foi o ponto de partida para o desenvolvimento bem sucedido e rápido do
processo dentro da comunidade de pesquisa em conformação de metais. No
entanto, a falta de rotatividade industrial do processo o deixa longe de ser
consolidado. Na verdade, EI não está sendo usada de forma regular
comercialmente, embora alguns pesquisadores já tivesse sugerido uma ampla gama
de aplicações potenciais e fabricou uma variedade de protótipos para demonstrar
sua viabilidade JESWIET et al. (2005).
A evolução histórica da EI tem mostrado que os principais avanços no
processo acontecem quando o material é corretamente caracterizado para ser
utilizado por ele e a principal característica a ser determinada é seu limite de
conformabilidade. A deformação ocorre de maneira progressiva, o que permite alto
grau de conformabilidade quando comparada com os processos convencionais de
estampagem (MARTINS et al. 2008).
Nos últimos anos FANG et al (2014) relataram que o processo de estampagem
incremental tem atraído um interesse cada vez maior no campo de conformação de
chapas de metal devido a seus méritos exclusivos, como a flexibilidade do processo,
redução de custos de ferramentas e aumento da estampabilidade. Comparando com
o processo de conformação de chapas convencional, tal como a estampagem
profunda, EI tem uma vantagem óbvia na fabricação de pequenos lotes ou produtos
personalizados, o que pode ser observado na indústria automobilística e
desenvolvimento da indústria aeroespacial.
O desenvolvimento de trabalhos na área têm aprofundado significativamente a
percepção e compreensão do processo de EI. No entanto, devido às suas
características de deformações incrementais e localizadas, o processo EI pode ser
afetado por vários fatores, tais como movimento da ferramenta, as propriedades do
material, condição lubrificante ou até mesmo efeito térmico. Assim, o comportamento
de deformação do material pode ser considerado complexo.
33
HIRT et al (2004) verificaram que trabalhos anteriores abordaram aspectos
como limites de tensão, precisão geométrica, qualidade da superfície e propriedades
mecânicas para vários componentes de demonstração feitas de aço carbono, aço
inoxidável, alumínio e ligas de titânio. Eles revelaram dois grandes limites do
processo: excessivo desbaste e desvios geométricos a partir da forma desejada,
ambos se tornando predominantes para áreas parcialmente íngremes.
Para MARTINS et al (2008), a maioria das pesquisas de SPIF tem
concentrações em aplicações em limites de conformabilidade do processo. As
investigações levam a conclusão de que a formabilidade do processo pode ser
definida em termos de quatro parâmetros principais:
(i) a espessura da chapa;
(ii) tamanho do passo vertical durante uma volta;
(iii) velocidade (tanto rotação quanto avanço);
(iv) o raio da ferramenta de modelagem.
A influência do primeiro parâmetro é comumente explicada pela aplicação da
lei do seno em relação à espessura, onde é a espessura final, é a espessura
inicial e o ângulo de parede da peça conformada.
sin
O segundo parâmetro é relacionado de forma inversa sobre a estampabilidade.
A velocidade da ferramenta influencia as condições de estampabilidade a partir do
momento em que ela é uma medida direta do atrito na interface ferramenta-chapa,
ou seja, é uma medida da imposição do estado de tensões aplicado localmente
nesta região. No que concerne ao raio da ferramenta, é experimentalmente
observado que a conformabilidade aumenta na razão inversa deste raio (concentra a
deformação apenas na região de contato), havendo um limite após o qual esta
variável impacta apenas na mesma medida que geraria influência em um processo
convencional de estampagem. (JESWIET et al.2005)
CENTENO et al. (2012) investigaram o comportamento da fratura no processo
de produção incremental do furo de um flange e sugeriram que a alta
conformabilidade vem da supressão de estricção antes da fratura. Nas análises, foi
discutido que o principal mecanismo de deformação em SPIF é a combinação de
(1)
34
dobramento, alongamento e cisalhamento, dependendo das condições do processo.
BAMBACH et al. (2003) observaram uma alta tensão no contato da ferramenta com
a chapa, bem como analisaram o efeito do retorno elástico proporcionado pela
deformação que não é feita plasticamente em sua totalidade.
De acordo com FIORENTINO (2013) várias tentativas têm sido feitas para
melhorar a exatidão da peça a ser conformada, que nem sempre é fiel ao desenho
proposto. MALHOTRA et al (2012) sugerem estratégias em múltiplas etapas
(multipass) com uma combinação de diversos caminhos de ferramenta para
deformações intermediárias na forma da peça a fim de reduzir o erro geométrico.
DUFLOU et al. (2008) demonstraram que, com estratégias em múltiplos estágios,
geometrias podem ser obtidas excedendo-se os limites de conformação para um
passe único. HIRT et al. (2004) concentraram seus estudos sobre as estratégias de
estampagem sobre chapas com características diferentes das convencionais
utilizadas, os chamados tailored blanks, que são chapas de características
diferentes unidas por soldagem ou laminação, aumentando assim a espessura da
chapa nas áreas de deformação mais elevadas.
HIRT et al (2004) inspirado pelas ideias de estratégias de conformação em
múltiplos estágios para componentes assimétricos, desenvolveram uma estratégia
de conformação em múltiplos estágios modificada (Figura 8) para peças não
simétricas. As fases seguintes constituem a estratégia em múltiplos estágios:
1. Na primeira "fase de pré-conformação” (Figura 8a) a estrutura é fixada sobre o
suporte e uma pré-estampagem com um ângulo raso de parede (45º neste
exemplo) é produzido pelo processo usual regular de EI e um molde parcial.
2. Então, um número de estágios se seguem, em que o movimento do passo da
ferramenta de conformação alterna de cima (Figura 8b) para baixo (Figura 8c).
3. A partir de uma fase para outra, o caminho da ferramenta é geralmente
concebido com um aumento do ângulo de 3º ou 5º. Isto significa que 7 a 12 fases
são necessários para produzir componentes com um ângulo de cerca de 80º.
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Esta investigação levou à conclusão que a estricção é suprimida no SPIF, de
forma que os diagramas limites de conformação convencionais (CLC) são
inaplicáveis na predição da fratura. No lugar delas sugere-se a aplicação da linha
limite de fratura (FFL). Lembra-se que o modelo matemático proposto não levou em
conta as questões de encruamento, tampouco de anisotropia, e os efeitos de flexão
da seção deformada são tratados de forma indireta.
Em sua dissertação de mestrado, VIEIRA (2015) estudou o campo de tensão e
deformação em simulações 2D e 3D, mostrando que durante o contato do punção
com a chapa, o estado de tensão se aproxima mais de um estado plano de
deformação do que um estado plano de tensão, como ocorreria em uma
estampagem convencional. Este estudo pode contribuir para novas formulações de
critérios de falha em Estampagem Incremental.
Segundo FIORENTINO (2013) as vantagens da leitura dos sistemas de
controle em tempo real podem ser identificadas na possibilidade de alterar o
funcionamento e parâmetros do processo de modo a assumir que a chapa pode ser
deformada sem fratura. O trabalho de FIORENTINO (2013) também se concentra na
definição de um novo critério de falha capaz de identificar as condições em que há
fratura na chapa devido ao seu afinamento excessivo e estado de tensão. A força
tangencial de estampabilidade, a geometria da peça produzida, e a resistência
última do material da chapa foram levadas em consideração. Além disso, o critério
pode ser aplicado em tempo real no sistema para monitorar o status da chapa de
modo a modificar os parâmetros do processo e parar ou continuar com a operação
de estampagem. O critério desenvolvido foi testado utilizando uma geometria
caracterizada por um perfil variável considerando diferentes caminhos de
ferramentas e materiais de chapa.
39
DUFLOU et al. (2007) apresentaram uma plataforma capaz de medir as forças
durante o processo de estampagem incremental, identificando as mudanças
induzidas ao longo da medição. O sistema utiliza um dinamômetro do tipo mesa, que
permite a medição das três componentes de força relevantes no processo. O
programa de gerenciamento do dinamômetro foi desenvolvido para identificar a
influência de quatro parâmetros relacionados à força no processo: o tamanho do
incremento vertical, o diâmetro da ferramenta, o ângulo de trabalho e a espessura
da chapa que está sendo conformada naquele instante. Também, de forma
preliminar, foi investigada a influência da condição de lubrificação e da geometria
sobre o processo. Uma tentativa de se fazer a predição de falha, baseada na forma
da curva de carga foi apresentada e, para os materiais testados, os resultados
demonstraram a relação entre os parâmetros do processo e as forças induzidas no
mesmo.
Segundo HIRT et al (2004), devido ao excessivo afinamento da chapa, o
intervalo de possíveis ângulos de flange de uma peça a ser obtida é limitado a cerca
de 60º para chapas com espessura de 1-1,5 mm e chapas de aço leves. Como
consequência, a energia cinemática de conformação inerente ao ISF implicam as
seguintes desvantagens:
• A limitação do ângulo máximo da parede restringe potencial no âmbito de
formas e aplicações;
• A forte dependência do ângulo usado pode levar para distribuições de
espessura não homogêneas na peça final;
Estas desvantagens o motivaram a investigar várias estratégias de estágios de
conformação que foram apresentadas durante o trabalho de HIRT et al (2004). Os
limites de conformação observados em ISF são significativamente maiores do que
se espera de um típico diagrama limite de conformação, do inglês Forming Limit
Diagram (CLC) para o aço macio e fortemente dependente de parâmetros do
processo como o tamanho da ferramenta e o passo vertical. Esta influência dos
parâmetros de processo nas tensões limite foi investigada por simulações em
elementos finitos utilizando um modelo de dano.
ISEKI et al (2013) fizeram uso da teoria da plasticidade aplicado a deformações
ao longo da trajetória, sob estados planos de tensão, para analisar a linha limite de
fratura de conformação (FFL) e introduzir a linha limite de fratura cisalhante da
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controlar a precisão geométrica tem importância especial.
No trabalho de (FANG et al, 2014) uma análise detalhada do processo de
estampagem incremental em um único ponto de deformação foi investigada com
base em uma abordagem analítica. Nesta análise, a região de deformação
localizada é dividida em subzonas. Em cada subzona de deformação, o estado de
tensão e deformação é investigado através da espessura da direção, de modo que
os efeitos de flexão possam ser incluídos. Além disso, o efeito de endurecimento de
tensão também é considerado calculando a espessura da distorção. Análises de
deformação e fratura foram implementadas com base na análise de tensão. As
simulações numéricas e validações experimentais foram realizadas para verificar os
resultados do modelo analítico.
4.4. TAILORED BLANKS
Tailored Blanks é o nome dado aos produtos de chapas semi-acabadas que
são caracterizadas por uma variação local da espessura da chapa, material da
chapa, propriedades do material ou revestimento. Com essas adaptações os tailored
blanks são otimizados para um processo de conformação subsequente ou para uma
aplicação final. A princípio existem quatro diferentes formas que podem ser usadas
para criar os tailored blanks: unindo materiais com diferentes espessuras por um
processo de soldagem (tailor welded blanks)(TWB), usando um reforço na chapa
pela adição de uma segunda chapa, criando uma variação contínua de espessura da
chapa por um processo de laminação (tailored rolled blanks)(TRB) e adaptando as
propriedades de um material por um tratamento térmico local. A maior vantagem dos
produtos feitos a partir de tailored blanks em comparação aos produtos
convencionais é a redução de peso. A Figura 12 mostra as peças de um carro que
podem ser em Tailored Blanks.
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Segundo (HIRT et al 2004), estratégias de conformação podem ser traçadas
para superar os limites existentes na conformação. Em certos casos, o uso de
tailored blanks com uma espessura que varia, pode ter um efeito muito positivo.
Além disso, o estado de tensão local sob a ação da ferramenta foi investigado por
simulações em elementos finitos, pois foi considerada a chave para entender os
limites de conformação observados na Estampagem Incremental.
TAILOR WELDED BLANKS
O método mais comum para junção de duas chapas em tailored blanks é com
uso de solda. A soldagem é o mais importante processo de união de metais utilizado
industrialmente. Este método de união tem importante aplicação desde a indústria
microeletrônica até a fabricação de navios e outras estruturas com centenas ou
milhares de toneladas de peso. A soldagem é utilizada na fabricação de estruturas
simples, como grades e portões, assim como em componentes encontrados em
aplicações com elevado grau de responsabilidade, como nas indústrias
automobilística, química, petrolífera e nuclear (MARQUES et al 2011).
Um método comum de soldagem na junção em TWB é a solda laser. Algumas
características do método de solda laser são a baixa injeção de calor, estreita zona
de solda, rápida velocidade do processo e alta qualidade da solda. Descartando os
pontos mencionados para TWB, uma notável desvantagem é a grande redução no
poder de conformação das chapas. Uma razão sugerida é a falta de homogeneidade
na mudança de material ou espessura das chapas que foram formam o TWB. Muitos
estudos têm sido conduzidos para melhorar a conformabilidade do TWB. Na maioria
dos estudos, as características da zona de soldagem no TWB têm sido
contempladas. Assim, com a Estampagem Incremental do TWB, busca-se também
um melhor resultado, tendo-se em vista a conformação desse tipo de material.
A solda é realizada com a aplicação localizada de calor e/ou deformação
plástica. Como resultado, alterações das propriedades do material, nem sempre
desejáveis ou aceitáveis, podem ocorrer na região da união. A maioria destas
alterações depende das reações ocorridas durante a solidificação e resfriamento do
cordão de solda e de sua microestrutura resultante. Assim, sob certos aspectos, a
soldagem pode ser considerada um tratamento termomecânico violento, cujo efeito
45
nas características metalúrgicas do material deve ser cuidadosamente considerado
(MARQUES et al 2011).
A necessidade de se entender o comportamento de chapas soldadas
submetidas a processos de conformação, como o caso dos TWB’s é o que
impulsiona o estudo de deformações plásticas nas regiões da junta soldada e metal
de base. Conforme visto em MODENESI et al (2006), em chapas soldadas, as
propriedades da zona fundida e da zona termicamente afetada pelo calor são
significativamente menos desejáveis no ponto de vista de conformabilidade, pelas
alterações microestruturais decorrentes do rigoroso ciclo térmico as quais estas
regiões são submetidas.
A formabilidade dos TWB’s está principalmente associada à espessura,
propriedades mecânicas e direções principais de deformação dos aços soldados.
Dificuldades podem ocorrer durante a conformação de diferentes espessuras do
TWB, no qual uma etapa que pode vir a causar problemas é a confecção de um
suporte desigual e transversal ao deslocamento da linha de solda.
Com uso de TWB há a possibilidade de se conseguir reduções de peso em
componentes estruturais de até 30-40%. Para portas de carros esse peso é
diminuído em 10-15% e uma redução de 1% de peso no carro gera uma economia
de 0,6-1% de combustível. Com o uso desta tecnologia os custos de investimento
são reduzidos devido ao menor número de processos de conformação aos quais as
chapas vão passar bem como do uso do equipamento de soldagem nas regiões
onde deve haver reforço de material. Com uso de TWB é possível incorporar nas
chapas regiões de baixa ou alta resistência de material a fim de melhor controlar as
características necessárias à chapa devido às condições de impacto. A decisão de
implementar esta tecnologia está influenciada fortemente pelas considerações
econômicas (DRY, 2001)
Segundo SILVA et al (2009) a solda a laser de alumínio é um desafio devido
sua elevada refletividade da superfície e elevada condutividade térmica. A energia
do feixe de laser não é absorvida adequadamente e a qualidade das juntas de solda
é geralmente muito pobre. A utilização dos revestimentos à base de grafite
consegue eliminar as dificuldades relacionadas à refletividade da superfície, mas dá
origem a outros tipos de problemas relacionados com a sua aplicação e posterior
remoção.
46
Recorrer a processos alternativos de soldagem por fusão para a produção de
alumínio TWB não é aconselhado devido à economia e razões técnicas. Solda por
Feixe de Elétrons (EBW), como a solda laser de feixe, é capaz de proporcionar alta
densidade de energia e alta penetração com a vantagem de não ser sensível a
problemas de refletividade da superfície. No entanto, EBW requer tempos grandes
de preparação de dimensões (o posicionamento das peças a serem soldadas com
respeito ao feixe deve ser muito preciso) e altos investimentos de capital (o custo do
equipamento e do seu funcionamento é muito alto). Processos convencionais de
soldagem por fusão podem não ser utilizados para produção de TWB porque sua
densidade de energia mais baixa e velocidade de soldagem lenta dão origem a
grandes zonas termicamente afetadas que irão diminuir consideravelmente a
formabilidade global dos tailored blanks (SILVA et al 2009).
De acordo com SILVA et al (2009) há uma necessidade de identificar e avaliar
novas soluções tecnológicas alternativas de baixo custo que possam produzir com
eficácia chapas de alumínio sob medida, com boas propriedades de conformação.
BUFF et al. (2006) deram um importante passo com a análise numérica e
experimental da viabilidade de usar soldagem por fricção (FSW) para juntar-se
chapas cruas de alumínio de diferentes espessuras. Eles utilizaram chapas de
alumínio AA7075-T6 com espessuras variando de 3 a 4 milímetros e concluiu que
FSW pode ser utilizado com êxito para a produção de TWB. No entanto, a
espessura das placas empregadas na investigação é consideravelmente acima dos
valores comumente utilizados em aplicações de estampagem de chapa de metal e
não foram efetuados estudos para verificar a formabilidade do TWB produzido por
FSW.
O trabalho de SILVA et al (2009) baseia-se na ideia de produzir tailored blanks
por FSW e apresentar um trabalho de pesquisa inovadora destinada a avaliação da
formabilidade destes tailored blanks em SPIF. A investigação, que é baseada no
know-how do IDMEC (Instituto Superior Técnico de Lisboa) para produtos TWB por
FSW, faz uso de soluções inovadoras sobre a utilização de chapas de fachada para
proteger as juntas soldadas da ferramenta rotativa de conformação de um único
ponto, e utiliza testes experimentais de referência para avaliar a formabilidade
perante SPIF da TWB produzido por FSW contra a de chapas de referência
convencionais do mesmo material. Figura 14
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48
Figura 15 – Passos principais na análise de uma estrutura.
A relação geral linear, segundo FILHO (2007), entre todas as Forças externas e
todos os deslocamentos nodais é melhor expressa em Notação Matricial como
mostrado na equação
(8)
Onde:
é o vetor coluna com todas as cargas nodais;
é a Matriz Rigidez da Estrutura que contém os coeficientes de rigidez da
estrutura inteira, que relacionam todas as forças e deslocamentos nodais.
é o vetor coluna com todos os deslocamentos Nodais.
O Método de Elementos Finitos consiste das seguintes etapas: Pré-
processamento, formulação dos elementos, Montagem, resolução das equações e
pós-processamento. Em suma, o pré-processamento consiste na subdivisão do
domínio em elementos finitos, para os quais são desenvolvidas equações individuais
na etapa de Formulação (FISH et al. 2007). Em seguida, equações para o sistema
completo são obtidas a partir das equações dos elementos (Montagem), as quais
são resolvidas (Resolução). Por fim, os resultados são exibidos no pós-
processamento, geralmente sob a forma de imagens gráficas. A Figura 16 mostra
uma sequência de operações.
Problema Real Modelo para análise
Equações de equilíbrio
Solução das equações de
equilíbrio
Interpretação de resultados
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(11)
Pode-se observar que, a cada time-step não é necessário a fatorização das
matrizes, uma vez que [C] e [M] são aproximados para matrizes diagonais (lumped
mass). Este é o principal fator da robustez e baixo custo computacional dos métodos
explícitos. A estabilidade do problema está condicionada ao tamanho do time-step,
uma vez que este é determinado pelo Critério de Courant, que está diretamente
relacionada ao tamanho do elemento e velocidade do som no meio (OWEN et al,
1986).
Como visto em (FANG et al, 2014) muitos pesquisadores estudaram os
mecanismos de deformação para obter uma melhor compreensão do processo de
EI. Através da simulação 2D pelo Método de Elementos Finitos, SAWADA et al.
(1999) estudou que os principais mecanismos de deformação na estampagem
incremental com dois pontos de conformação, do inglês Two Point Incremental
Forming (TPIF) são flexão e alongamento. BAMBACH et al. (2003) observaram por
simulação MEF que o corte através da espessura e a tensão de cisalhamento é
dependente tanto do diâmetro da ferramenta quanto da taxa de incremento vertical
utilizada. Em termos de mecanismo de deformação do material, HADOUSH et al.
(2011) concluíram que o efeito de curvatura, sob condição de tensão de um fator
crítico afeta a deformação localizada e a conformabilidade do processo EI. Através
de ensaios, EYCKENS et al. (2008) detectaram a existência de cisalhamento
durante o processo de ISF por pequenos furos na chapa.
JACKSON E ALLWOOD (2009) demonstraram, através de medições
experimentais em ambos SPIF e TPIF, que a deformação do material neste
processo é devido à combinação de dobrar, esticar e guilhotinar. EYCKENS et al.
(2011) argumentaram que o mecanismo dominante (ou seja, corte ou flexão)
depende das condições específicas do processo, por exemplo, o mecanismo está
sofrendo dobramento para a EI de grande ângulo de parede do cone. HADOUSH et
al. (2011) sugeriram que o aumento da estampabilidade da deformação em SPIF
deveu-se a tensão e a deformação de flexão sob o material, e a presença de uma
tensão de compressão. MALHOTRA et al. (2012) desenvolveram um modelo de
52
fratura e propôs uma teoria simples para explicar a natureza local de deformação,
que foi responsável pelo aumento da estampabilidade SPIF.
As investigações acima são em sua maioria realizados por simulação em
Elementos Finitos ou experimentos físicos. A modelagem do processo de EI por
abordagem analítica pode fornecer uma análise intuitiva do mecanismo de
deformação localizada. ISEKI (2001) propôs um método de análise de deformação
aproximado para o processo de ISF afim de minimizar o esforço computacional para
gerar a força máxima de estampagem e altura do abaulamento com base em um
modelo plano de deformação e um diagrama limite de estampagem incremental.
HUANG et al. (2008) desenvolveram um modelo de análise para estudar o efeito do
tamanho da peça no processo EI baseado em plano de deformação e pressupostos
de membrana. As relações diretas entre conformabilidade e parâmetros de
estampagem foram construídas.
MIRNIA e DARIANI (2012) empregaram um método de limite superior para
estudar a zona de deformação no SPIF de cones truncados. As influências dos
parâmetros efetivos, incluindo passo vertical, espessura inicial, diâmetro da
ferramenta e ângulo de parede sobre a força tangencial, a tensão equivalente
prevista foram investigados. Na maioria dos estudos analíticos, foi empregue
abordagem de membrana. No entanto, o efeito de flexão é ignorado, embora seja
considerado um dos fatores mais importantes para o processo de EI. Outra questão
é a ausência do encruamento, que é um fenômeno comum para a maioria dos
materiais metálicos em processo de trabalho a frio. Assim, vale a pena ter uma
análise abrangente do mecanismo de deformação fundamental, especialmente com
a consideração destes efeitos como flexão e encruamento. A Figura 19 mostra um
exemplo de simulação numérica de um processo de EI.
Segundo (HIRT et al 2004), um código explícito MEF foi utilizado com sucesso
em trabalhos anteriores para simular o processo de Estampagem Incremental, uma
vez que é muito adequado para problemas altamente não-lineares e tratamento de
superfícies de contato arbitrárias e condições adversas. No que se segue, dois
aspectos do processo simulação para EI serão considerados:
• A predição da espessura da chapa será validada com a conformação de
Tailored Rolled Blanks;
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De acordo com HIRT et al (2004) o campo de tensão sob a ação da ferramenta
é um importante fator no que diz respeito à conformação e crescimento de vazios
que, eventualmente, levam a fratura dúctil. Apesar da boa coincidência com os
experimentos, os elementos de casca aplicados não puderam representar o estado
de tensão 3D devido o inerente pressuposto plano de tensão. Como modelar toda a
chapa com elementos hexagonais exige muito dos recursos computacionais, os
campos locais de tensão e deformação durante a conformação foram investigados
por meio de um modelo parcial de malha com elementos hexagonais. Esta
configuração tem sido utilizada em trabalhos anteriores para analisar o estado de
tnsão durante a conformação. Foi visto que uma pressão significativa está presente
durante a ação imediata da ferramenta. Como a presença de pressão hidrostática
pode ter um enorme impacto sobre a evolução dos danos durante a conformação,
uma investigação mais detalhada utilizando um modelo de dano foi conduzida no
trabalho de (HIRT et al 2004).
Após ser feita uma consistente revisão bibliográfica sobre os assuntos de
estampagem incremental, tailored blanks e simulação numérica, será possível
entender a proposta deste trabalho por meio das análises das simulações
envolvidas. Nos próximos capítulos, foi traçada uma metodologia de forma a obter
resultados satisfatórios que ajudem a esclarecer questões relacionadas a
estampagem incremental de tailored blanks como distorção da linha de solda,
variação de espessura, forças de contato entre a ferramenta e a peça, tensões e
deformações nos nós e elementos durante o processo e ao final dele.
55
5. MATERIAIS E MÉTODOS
Como o objetivo principal deste trabalho é estudar a estampagem incremental
em Tailor welded blank formado por Aço SAE 1020 e EP04, fez-se necessário a
montagem de uma ordem de atividades que permitissem o alcance dos resultados
almejados.
Para descrever o procedimento numérico-experimental é necessária a escolha
de um conjunto de variáveis, a fim de estudar a variação que algum deles tenha no
trabalho. Todos os modelamentos numéricos foram usados de forma a retratar
fielmente o modelo experimental já desenvolvido em outros trabalhos parceiros. São
eles:
Processo;
Material;
Geometria de ferramenta;
Geometria da peça.
Trajetórias utilizadas;
Malha e elementos utilizados na Simulação Numérica
Para a Simulação Numérica por meio de elementos finitos, o software utilizado
foi o HyperWorks fornecido pela Altair, versão 13.0. Foram realizados diversos testes
prévios com a utilização de diversas malhas e setups de utilização do software a fim
de obter resultados coerentes com a literatura. As variáveis que foram estudadas no
pós-processamento foram as tensões e deformações residuais e nos elementos,
variação de espessura, forças de contato e distorção da linha de solda.
Com posse de uma malha definida e parâmetros fixos foi feita uma grade de
simulações numéricas a serem desenvolvidas de forma a alcançar os objetivos
desejados neste presente trabalho: para análises na distorção da linha de solda e
redução de espessura foi simulado um cone com ângulo de estampagem 60º, raio
inicial de 60 mm truncado em 60mm de profundidade. Para análises das tensões e
deformações plásticas residuais ao final do processo, forças de reação do punção
sobre a chapa e estados de tensão e deformação durante o mesmo a peça simulada
foi um cone similar, porém este foi truncado em 20 mm de profundidade. Foram
variadas três trajetórias de percurso do punção durante a estampagem incremental:
helicoidal, incremental e incremental reversa. Foram usados elementos planos 2D e
volumétricos 3D para análises em duas e três dimensões respectivamente.
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5.2. MATER
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rdo e 0,8 m
a que o a
e estão de
ial de acor
a frio, co
gem profun
da norma
rincipal util
resentam
solda pe
o da soldag
Retangular
etangular
espessura
tra uma r
ação Esque
Fonte
ém foram
EP04) vari
mm do lado
100 mm
SAE 10Espessu
1,0 m
adquire. N
efinidas em
rdo com a
mpletamen
nda. Corre
a NBR 5915
lizado no t
as chapas
erfeita, sem
gem no ma
200x100m
200x100m
representa
emática do1020
: elaborad
feitas com
iando apen
o direito.
m
020 ura: m
este caso
m norma (F
mesma. E
nte acalm
sponde ao
5/2003 (PA
trabalho é
s, sendo es
m levar e
aterial.
mm de Aç
mm de Aço
ação esqu
o Tailored 0
o pelo auto
m tailor w
nas as esp
100 m
EP 04Espessu
0,8 mm
, as propr
FG52806)
EP 04: Aço
mado ao
o aço EP04
ATRICIO, 2
uma placa
ssas unida
m conta
o SAE 10
o de estam
uemática d
Blank com
or
welded blan
pessuras s
m
4 ura: m
riedades m
e faz-se n
os com bai
alumínio,
4, descrito
2011)
a composta
as através
os efeitos
020 com 1
mpagem FE
da união
m FEP04 e
nks de um
sempre co
200 mm
58
mecânicas
necessária
xo teor de
para as
na norma
a por duas
dos nós o
s térmicos
,0 mm de
EP04 com
das duas
Aço SAE
m mesmo
m 1,0 mm
m
8
s
a
e
s
a
s
o
s
e
m
s
o
m
EP 0
utiliz
Coo
Ond
tens
encr
taxa
mód
parc
curv
se te
exte
- Ca
- Ve
- Aci
- Fai
- Me
- Me
Para rea
04 foram c
zado para
k, devido a
e é a te
ão de es
ruamento
de deform
A fase el
dulo de elas
Para cara
ceria com
vas de tens
er os parâm
Os ensai
nsometria
Máquina
pacidade:
locidades:
ionamento
ixa de abe
edição de f
edição de d
lização de
onsiderado
represent
a facilidade
ensão plás
scoamento
é o coefi
mação de r
ástica foi d
sticidade e
acterização
um trabalh
são e defo
metros nec
os foram e
. A Figura
Figura 2
SHIMADZ
200 KN em
0,01 a 50
o: eletrome
ertura (sem
força: célul
deslocame
e simulação
os isotrópic
ar a fase
e de entrad
1
stica verda
o, é o
ciente da t
referência e
definida pe
e é a defo
o do mate
ho de mes
ormação re
cessários à
executados
25 aprese
25 – Máqu
ZU, modelo
m tração o
0 mm/min.
ecânico por
m garras): d
a de carga
ento: embu
o numéric
cos com c
plástica d
da de dado
1
adeira, é
o módulo
taxa de de
e o expo
ela Lei de
ormação.
erial, foram
strado des
etiradas do
à simulaçã
s no labor
enta a máq
uina de ens
(VIEIRA, 2
o DL20000
ou compres
.;
r motor de
de 1170 mm
a;
tidos na m
a da EI do
aracterístic
do materia
os em softw
é a deform
de encru
eformação
oente de te
Hooke:
m feitos ens
senvolvido
o ensaio d
ão.
ratório da U
uina de tra
saio de traç
2015)
0, com as s
ssão;
velocidad
m.
máquina ou
o material,
cas elasto-
al foi feito
ware, dada
mação plás
uamento,
, a taxa d
emperatura
, ond
saios mecâ
o por VIEIR
e tração fo
UFSJ, em
ação utiliza
ção da UF
seguintes c
e variável
vídeo exte
, o Aço SA
-plásticas.
utilizando
a por:
stica verda
o exp
de deform
a.
de é a te
ânicos de
RA (2015)
oram utiliz
máquina c
ada.
FSJ.
característ
e fuso de
ensiometri
59
AE 1020 e
O modelo
Johnson-
(12)
adeira, é
poente de
ação, a
ensão, o
tração em
), onde as
zadas para
com vídeo
icas:
esfera;
ia;
9
e
o
-
é
e
a
o
m
s
a
o
equa
poss
mes
com
o co
Mpa
valo
com
dese
Tensão(M
pa)
A Figura
Fig
Com pos
ação (12)
se dos pa
mos para
parativo da
oeficiente d
a, na equa
res apres
putacional
envolvimen
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
(p
)26 aprese
gura 26 –
sse das cu
de Johnso
arâmetros
serem com
a curva rea
de encruam
ação de J
sentados
l de 50%,
nto deste p
Figu
0,05
Ten
nta um co
Corpo de p
urvas de te
on Cook pa
de encrua
mparadas
al do SAE
mento igua
ohnson C
pela cur
sendo as
presente tr
ura 27 – Te
Fonte:
0,1
Deforma
nsão x D
rpo de pro
prova fratu
(VIEIRA, 2
ensão x def
ara cálculo
amento fo
as curvas
1020 com
al a 0,76 e
Cook. Com
rva comp
s duas pro
rabalho.
ensão defo
: Elaborado
0,15
ação (%)
Deforma
ova após o
urado após
2015)
formação d
o dos parâ
oram traça
s originais.
m a curva d
e parâmetr
m o uso d
pleta, há
oposições
ormação S
o pelo auto
0,2
ação SA
ensaio de
s ensaio de
dos dois m
âmetros de
adas curva
A Figura
o SAE 102
o de encru
os parâm
uma ec
testadas
SAE 1020.
or.
0,25
AE 1020
e tração.
e tração.
materiais, fo
e encruame
as obedec
27 mostra
20 calculad
uamento ig
etros em
conomia
anteriorme
SAE 1020
SAE 1020
60
oi usada a
ento. Com
cendo aos
a o gráfico
da usando
gual a 490
lugar dos
de custo
ente, para
0 Real
0 calculado
0
a
m
s
o
o
0
s
o
a
61
A Figura 28 mostra o gráfico comparativo da curva real do EP04 com a curva
do EP04 calculada usando o expoente de encruamento igual a 0,38 e parâmetro de
encruamento igual a 428 Mpa, de forma semelhante ao SAE 1020.
Figura 28 – Tensão deformação EP04
Fonte: Elaborado pelo autor
Na Tabela 1 são mostrados todos os valores de entrada utilizados para a
simulação numérica.
Tabela 1 – Propriedades dos materiais utiliados no trabalho.
Propriedades SAE 1020 EP04
Densidade 7,87x10-9 ton/mm3 7,87x10-9 ton/mm3
Poisson 0,29 0,29
Módulo de Young 205000 Mpa 205000 Mpa
Tensão de escoamento 259 Mpa 140 Mpa
Parâmetro de encruamento 490 Mpa 428 Mpa
Expoente de encruamento 0,76 0,38
Fonte: elaborado pelo autor.
A esfera que representa o punção responsável pela deformação foi tratada
como indeformável com uso de elemento rígido no centro dela e o material foi
utilizado da forma mais simples, no qual as propriedades usadas foram as do Aço
Inox 304L, mesmo material utilizado para confecção dos punções experimentais
usados na Estampagem Incremental. A Tabela 2 contém esses dados.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Tensão (Mpa)
Deformação (%)
Tensão x Deformação EP04
EP04 Real
EP04 Calculado
5
relaç
prob
de tr
se u
ener
ener
Fig
mm/
1500
simu
traba
veloc
Proprie
Aço Inox
5.3. VELOC
(HIBBIT
ção à ene
blema cont
rabalho po
m gráfico
rgia cinéti
rgia de def
ura 29 – E
Uma velo
/min, no e
0 mm/s,
ulações qu
alhos. Par
cidade pel
Tabela 2
dades
x 304 L
CIDADE D
et. Al., 19
ergia defo
tinuará sen
ouco influe
gerado pe
ca realme
formação d
Energias cin
ocidade de
entanto, pa
de modo
e costuma
ra se obte
o custo co
2 – Propried
7
Fonte
E TRABA
994) mostr
ormação d
ndo tratado
nciará no
elo próprio
ente pode
do sistema
nética e desim
e trabalho
ara as sim
a se te
am demora
er o núm
omputacion
dades Mec
Densida
7,87x10-9 to
: Elaborad
ALHO UTIL
rou em se
do sistema
o como qu
resultado
software d
e ser cons
a.
e deformaçmulação nu
o usual em
mulações n
r uma ec
ar mais de
mero 1500
nal e result
cânicas do
ade
on/mm3
o pelo auto
LIZADA:
eu artigo q
a puder s
uase estátic
final das s
de simulaç
siderada d
ção do sistumérica.
m uma má
numéricas
conomia d
10 dias, n
mm/s foi
tados apre
o Aço Inox
Mó
or
que se a e
ser desco
co e o aum
simulações
ção em que
desprezíve
tema em re
quina CNC
a velocid
do custo
ão sendo i
i feita um
esentados.
304l
ódulo de Y
210000 M
energia ci
onsiderada
mento da v
s. Na Figur
e se pode
el se com
elação ao t
C é de 80
dade utiliza
computac
interessan
ma média
62
Young
Mpa
nética em
, então o
velocidade
ra 29 tem-
ver que a
mparada à
tempo da
00 a 1000
ada foi de
cional das
nte para os
prévia da
2
m
o
e
-
a
à
0
e
s
s
a
5
con
esfe
prát
ao T
F
5
A
tailo
esta
boa
trun
prof
con
con
3D
5.4. GEOM
A ferram
formação
era tem ra
ticas. Para
Tailored Bl
Figura 30 –
5.5. GEOM
As geomet
ored blank
ampagem
a aplicabilid
ncamento d
fundo. A F
e será util
tato da esf
nesse cas
ETRIA DA
menta util
da chapa t
aio de 5,65
a a simulaç
lank.
– Ferramen
ETRIA DA
trias confo
k são dois
de 60º e r
dade para
devido ao
Figura 31 m
izado para
fera com a
o.
A FERRAM
lizada no
tem uma p
5 mm, me
ção numéri
nta usada
Fonte:
A PEÇA A
rmadas pe
s cones t
raio inicial
este proc
custo com
mostra um
a análises
a chapa e m
MENTA:
s proced
ponta semi
esmo valor
ica foi usad
para fazer
: Elaborado
SER CON
elo proces
truncados
de 60mm
cesso estu
mputacion
ma vista lat
de tensão
mapeamen
imentos e
iesférica co
r de um p
da uma su
r a estampa
o pelo auto
NFORMAD
so de esta
em altura
m, sendo es
udado. For
al envolvid
eral do co
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nto de esp
experimen
omo mostr
unção com
perfície de
agem incre
or.
DA
ampagem
as diferent
ste ângulo
ram utilizad
do ao ana
ne truncad
ação nos e
pessura ap
FC
se
Sua
ntais para
rado na Fig
mumente u
e contato e
emental no
increment
tes com â
o escolhido
das duas
alisar um c
do em 20
elementos,
penas nos
FerramentCom pontemiesféric
uporte onferramené presa
63
fazer a
gura 30. A
usado nas
em relação
o CNC.
al sobre o
ângulo de
o pela sua
alturas de
cone mais
mm. Esse
, forças de
elementos
ta a ca
de ta
3
a
A
s
o
o
e
a
e
s
e
e
s
Fig
um c
uma
later
Fig
5
N
perc
ond
traje
sem
incr
gura 31 – C
Para aná
cone com
a visibilidad
ral desta ge
gura 32 – C
5.6. TRAJE
Neste pres
corridos pe
de o increm
etória incre
mpre na m
remental s
Cone a ser
álises de re
profundid
de maior
eometria.
Cone a ser
ETÓRIAS U
sente trab
ela esfera
mento vert
emental on
esma dire
salvo que
r estampadnum
edução de
ade de tru
sobre ess
r estampadnum
UTILIZADA
alho serão
durante a
tical em z
nde o decré
eção angul
a trajetór
do com ângma altura d
e espessur
uncamento
sa profund
do com ângma altura d
AS NO PR
o utilizada
estampag
é feito a
éscimo ver
lar e uma
ria é feita
gulo de esde 20 mm.
ra e distorç
o maior de
idade. Na
gulo de esde 60 mm
ROCESSO
s três def
em increm
cada mud
rtical é feit
trajetória
um pass
tampagem
ção da linh
e 60mm, já
Figura 32
tampagem
:
inições de
mental: uma
dança de p
o a cada p
incrementa
se circunfe
m de 60º e
ha de sold
á que é po
2 tem-se
m de 60º e
e caminhos
a trajetória
ponto a p
passe circu
al reversa
erencial e
64
truncado
da usou-se
ossível ter
uma vista
truncado
s a serem
a helicoidal
onto, uma
unferencial
, similar a
m sentido
4
e
r
a
m
l
a
l
a
o
horá
feito
incre
circu
horá
incre
circu
horá
ário e outro
o pela traje
Na Figur
emental. N
unferencial
ário.
Na Figur
emental re
unferencial
ário e a pró
o em senti
etória helic
Figura 3
ra 34 tem
Neste cas
l dada pe
Figura 34
ra 35 tem
everso. Nes
l dada pe
óxima volta
do anti-ho
oidal.
33 – Camin
m-se um
so a coor
elo punção
4 – Camin
m-se um
ste caso a
lo punção
a no sentid
orário. Na F
nho adotan
esboço d
rdenada z
o. O punç
ho adotand
esboço d
a coordena
. O punçã
o anti-horá
Figura 33 t
ndo trajetó
da trajetór
z se man
ção movim
do trajetór
da trajetór
ada z se m
ão movime
ário.
tem-se um
ória helicoid
ia feita u
tém const
menta-se
ia increme
ia feita u
mantém con
enta-se um
m esboço do
dal.
utilizando
tante a c
sempre n
ental.
utilizando
nstante a
ma volta n
65
o caminho
o método
cada volta
no sentido
o método
cada volta
no sentido
5
o
o
a
o
o
a
o
5
cust
que
Apó
esta
mal
elem
part
cha
esc
circ
exte
com
des
Fig
5.7. DEFIN
NUMÉR
Para defi
to computa
e foram usa
ós verificaç
ampagem
ha que foi
mentos cri
tir do proce
pas para
uro corres
ular da ma
erna ao
mputaciona
ta região n
gura 35 – C
IÇÃO DE M
RICA
inição da m
acional e r
ados elem
ção de alo
increment
utilizado p
ados a pa
esso de EI
obtenção
ponde ao A
alha tem e
círculo te
ais. Como
não trará d
Caminho a
MALHAS
malha a se
resultados
mentos qua
ngamento
tal da peç
para todas
artir de um
I. A Figura
do cone
Aço SAE 1
lementos c
em valore
a deforma
iferenças q
adotando tr
E ELEMEN
er utilizada
satisfatór
adrados co
irregular d
ça, foi est
s as simula
m círculo q
a 36 mostra
que foi tr
1020, enqu
com valore
es mais
ação ocorre
que sejam
rajetória in
NTOS UTI
a, foi cons
ios. Foram
om 2,5mm
dos eleme
tudado e d
ações 2D e
ue contem
a uma visã
runcado e
uanto a em
es próximo
altos par
e apenas n
considerá
cremental
LIZADOS
siderado um
m feitos tes
de aresta
entos na re
definido u
e 3D. A ma
mplasse a
ão geral da
m 20mm:
m cinza cla
os a 2 mm
ra fins de
na região c
áveis no pr
reversa.
NA SIMU
m ponto ó
stes prelim
a para o m
egião onde
um novo m
alha utilizad
região def
a malha uti
a malha
ro o EP 04
enquanto
e menore
circular a m
roblema.
66
LAÇÃO
timo entre
minares em
modelo 2D.
e ocorria a
modelo de
da teve os
formada a
lizada nas
em cinza
4. A região
na região
es custos
malha fora
6
e
m
.
a
e
s
a
s
a
o
o
s
a
Figu
poss
essa
tridim
casc
pode
SAE
que
utiliz
próx
ura 36 – M
Ambas a
sível entra
a diferenç
mensional
ca não é p
e comprom
E 1020 e em
Figura
Para con
ser esten
zada a ma
ximos a 2 m
Malha circu
s chapas f
r com o va
ça de esp
dos eleme
ossível div
meter os re
m cinza cla
37 – Mode
nfecção do
ndida até
alha para
mm, semel
lar utilizada
Fonte:
foram conf
alor da esp
pessura n
entos de c
vidir a espe
esultados.
aro o 0,8 m
elamento d
Fonte:
o cone trun
mais próx
este caso
hante a m
a para mo
: Elaborado
figuradas c
pessura do
na represe
casca 2D. O
essura das
Em cinza
mm do EP0
da espessu
: Elaborado
ncado em
ximo do c
o. A regiã
alha utiliza
delamento
o pelo auto
com propr
o material
entação q
Observa-s
s chapas e
escuro te
04.
ura da mal
o pelo auto
60 mm, a
centro e a
ão circular
ada para o
o do cone t
or.
iedades de
e na Figu
que é mo
e que utiliz
em elemen
emos a esp
lha com ele
or.
região cir
a Figura 3
tem elem
cone trunc
truncado e
e casca (2
ra 37 é po
ostrada es
zando elem
ntos meno
pessura de
ementos 2
rcular da m
38 mostra
mentos co
cado em 2
67
em 20mm.
2D) onde é
ossível ver
ssa visão
mentos de
res, o que
e 1mm do
2D.
malha teve
como foi
m valores
20 mm.
7
é
r
o
e
e
o
e
i
s
Figu
cons
0,12
prob
elem
de v
espe
para
das
relaç
mos
ura 38 – M
Para repr
siderada in
25 para es
blema.
A Figura
mentos trid
volume. Te
essura do
a cada cas
tensões e
Figura
Para faze
ção ao mo
tra a regi
Malha circu
resentar o
ndeformáv
ste contato
39 mostr
imensiona
em-se 5 ele
FEP 04, c
so. Com o
deformaçõ
39 – Malha
er análises
odelo 2D,
ão inferior
lar utilizada
Fonte:
punção u
el para faz
o e a lubri
ra uma ma
is ao longo
ementos n
cada elem
uso da ma
ões ao long
a 3D evide
Fonte:
s ao longo
foram feit
r na qual
a para mo
: Elaborado
usou-se um
zer a conf
ificação nã
alha com
o da espes
na chapa d
mento com
alha 3D po
go de cada
enciando e
: elaborado
o da espes
tos cortes
foram ret
delamento
o pelo auto
ma esfera c
formação.
ão foi con
elementos
ssura em u
do SAE 10
0,2 mm d
ode se ter
a elemento
elementos a
o pelo auto
ssura no m
e duas re
tirados os
o do cone t
or.
com eleme
Foi consid
siderada n
s 3D. É p
uma malha
20 e 4 ele
de altura n
uma ideia
o na direçã
ao longo d
or.
modelo 3D
egiões da
elemento
truncado e
entos rígid
derado um
no modela
possível ob
a 3D com
ementos ao
na direção
a do comp
ão da espe
da espessu
e compar
chapa. A
os para an
68
em 60mm.
dos, sendo
m atrito de
amento do
bservar os
elementos
o longo da
do eixo z
portamento
essura.
ura.
rações em
Figura 40
nálise. Os
8
o
e
o
s
s
a
z
o
m
0
s
elem
anal
segu
da c
os g
Figu
mos
elem
elem
SAE
com
Fig
defo
esfe
mentos fora
isados o S
ue sempre
chapa é qu
ráficos foi
ura 40 – Po
Foram fe
trados na
mentos e t
mentos da
E 1020 e da
o foi visto,
gura 41 – P
Foram e
ormações.
ra para ca
am retirad
SAE 1020
e no sentid
ando ela s
usado “10
osição 1 de
eitas med
Figura 41
tem-se os
direita do
a direita pa
SAE 1020
Posição do
escolhidos
Eles estã
ada mome
dos inicialm
e EP04. A
o anti-horá
sai do SAE
020->EP04
e onde fora
Fonte:
idas em
1 e para e
5 elemen
EP04. A e
ara o EP04
0 na esque
os Pontos f
Fonte:
5 temp
ão represe
ento. A pos
10
mente na
A esfera pa
ário e esta
E 1020(esq
4” para des
am retiradoe deforma
: Elaborado
pontos fo
esses pont
ntos da es
escolha de
4 se deve a
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fora da sol
: elaborado
pos espec
entados po
sição C é
020
região de
ara as traje
a seleção d
querda) e v
stacar esta
os os elemação.
o pelo auto
ora da sol
tos foram
squerda do
e elemento
a posição d
04 na direit
lda onde fo
o pelo auto
cíficos pa
or letras
uma posiç
EP04
solda de
etórias heli
de elemen
vai para o
região.
mentos para
or.
da també
considerad
o SAE 102
os apenas
dos mesm
ta.
oram retira
or.
ara anális
que indica
ção bem p
e forma qu
icoidal e in
ntos na pa
EP04(dire
a análises
ém. Os po
dos duas
20, bem c
da esquer
mos no tailo
ados os ele
se das te
am as po
próxima a
69
ue fossem
ncremental
rte inferior
ita) e para
de tensão
ontos são
fileiras de
como os 4
rda para o
ored blank,
ementos.
ensões e
osições da
união dos
9
m
l
r
a
o
o
e
4
o
,
e
a
s
70
dois materiais, e além dele, foram escolhidas duas posições anteriores (A e B) e
duas posteriores (D e E) para quando a esfera está na posição 1020->EP04. A
Figura 42 mostra a esfera nas posições A, B, C, D e E, cada uma delas
representando um tempo específico.
Figura 42 – Posições A, B, C, D e E para a esfera sobre os elementos 1020 -> EP04.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Os elementos onde foram feitas as análises são (9 no total) mostrados na
Figura 43. Foram escolhidos os 5 elementos do SAE 1020 ao lado da linha de união
dos dois materiais e os 4 elementos do EP04 também ao lado da união dos
materiais. Foi usada uma numeração arábica começando da parte de cima onde há
o contato com a esfera.
A B C D E
elem
5
segu
•
•
•
•
méd
Tem
Figura 43
Para efe
mentos bem
5.8. MÁQU
As simul
uinte config
Process
Memóri
Placa d
Window
As quant
dio de simu
Ta
Nó
Eleme
mpo Médio
12345
– Element
itos de co
m como as
INAS USA
lações nu
guração:
sador: Inte
a RAM: 8
e Vídeo Nv
ws 7 Home
tidades de
ulações 2D
abela 3 – Q
s
entos
o Simulaçã
1 2 3 4 5
tos 1, 2, 3,
Fonte:
omparação
s posições
ADAS E SI
méricas fo
l ® Core ™
GB
vidia Gefo
Basic
e nós e ele
D e 3D são
Quantidade
ão
Fonte
, 4 e 5 para
: Elaborado
o com os
da esfera
IMULAÇÕ
foram real
™ i5-3330 C
rce GT430
ementos d
mostrados
es de nós e
2D
5782
5698
11h
: Elaborad
a SAE 102
o pelo auto
modelos 2
foram os m
ES NUMÉ
izadas em
CPU @ 3.0
0 2GB
das malha
s na Tabel
e elemento
2
8
o pelo auto
20 e 1, 2, 3
or.
2D, os loc
mesmos.
ÉRICAS
m microco
00GHz 64
s utilizada
a 3.
os das sim
or
1 2 3 4
3 e 4 para E
cais de se
omputadore
bits com 4
as bem co
mulações
3D
29431
23238
64h
71
EP04.
eleção dos
es com a
4 núcleos
mo tempo
s
a
o
72
5.9. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS
Com posse de todos os parâmetros do processo controlado, faz-se necessário
a definição de atividades a serem realizadas e as mesmas se encontram
organizadas na Tabela 4. Os resultados deste presente trabalho serão organizados
tomando como base as atividades descritas.
Tabela 4 – Atividades a serem desenvolvidas no presente trabalho.
ID Análise Elementos
Utilizados
Altura
do cone Objetivos
1
Distorção da
linha de
solda
2D 60 mm
Cálculo de ângulos de distorção da
linha de união dos materiais e
deslocamento das coordenadas x e y
do nó central da chapa.
2 Redução de
Espessura 2D e 3D
20 mm e
60 mm
Análise qualitativa através de
contornos de espessura e quantitativa
através de gráficos de espessura.
3 Forças de
Contato 2D e 3D 20 mm
Análise das forças de contato pelas
trajetórias e diferentes tailored blanks.
4 Tensões 2D e 3D 20 mm
Análise qualitativa através de
contornos de tensão e quantitativa
através de componentes de tensão
durante o contato e ao final dele.
5 Deformações 2D e 3D 20 mm
Análise qualitativa através de
contornos de deformação e
quantitativa através de componentes
de deformação durante o contato e ao
final dele.
6. R
segu
feita
6
da re
mm
incre
44. A
e 28
por s
ideia
Fi
nós
três
RESULTAD
Os resu
uindo a or
s as devid
6.1. DISTO
Inicialme
egião da m
de espe
emental e
A escolha
887 por se
serem o fi
a da distorç
igura 44 –
A Figura
1036, 105
trajetórias
DOS E DIS
ltados obt
rdem propo
as análise
RÇÃO DA
nte foi feita
malha circ
ssura e E
incrementa
do nó 164
rem o iníc
im da regi
ção da linh
Posição in
45 mostra
50, 1649, 2
analisada
SCUSSÃO
tidos a p
osta pelas
es sobre os
A LINHA D
a uma aná
ular dos T
EP04 com
al reversa.
49 foi devid
io da regiã
ão circula
ha de solda
nicial dos nchap
Fonte:
a a distorçã
2887 e 29
as.
O
partir das
s atividade
s mesmos.
DE SOLDA
álise sobre
Tailored bla
m 0,8mm,
. A posição
da ao mesm
ão circular
r na direçã
a após o p
nós 1036, pa a ser co
: elaborado
ão das linh
901 para o
simulaçõe
es na meto
A
e os nós 10
anks comp
variando
o inicial do
mo ser o c
na direção
ão radial.
rocesso se
1050, 1649onformada.
o pelo auto
has de sold
o final da o
es serão
odologia e
036, 1050,
postos por
as 3 tra
s nós pode
centro da c
o radial e
Desta form
er concluíd
9, 2887 e 2.
or.
da e os val
operação d
mostrado
e, além dis
1649, 288
r SAE 102
ajetórias:
e ser vista
chapa, dos
os nós 10
ma pode-s
do.
2901 na m
lores de po
de estamp
73
os abaixo,
sso, serão
87 e 2900,
0 com 1,0
helicoidal,
na Figura
s nós 1050
36 e 2901
se ter uma
malha da
osição dos
pagem nas
3
,
o
,
0
,
a
0
a
s
s
Figu
EI e
linha
T
Tra
Ma
He
1020
Incr
1020
ura 45 – Po105
Na Tabel
e ao fim do
a de solda
Tabela 5 –
ajetórias
ateriais
elicoidal
0 – EP04
remental
0 – EP04
osição ao f50, 1649, 2
la 5 tem-se
o processo
foram calc
Posições d
Coordena
Nós
1036
1050
1649
2887
2901
1036
1050
1649
2887
2901
final do pro887 e 290
Fonte
e um resum
o. Com po
culados na
dos nós se
adas
X
6 0
0 0
9 0
7 0
1 0
6 0
0 0
9 0
7 0
1 0
ocesso de 1 na malha
: elaborad
mo das po
osse dess
a região su
elecionado
Início
X Y
0 52,9
0 24,9
0 0
0 -24,9
0 -52,9
0 52,9
0 24,9
0 0
0 -24,9
0 -52,9
conformaça da chapa
o pelo auto
osições dos
es valores
perior e inf
os para cálc
o EI
Y Z
988 -5,6
962 -5,6
0 -5,6
962 -5,6
988 -5,6
988 -5,6
962 -5,6
0 -5,6
962 -5,6
988 -5,6
ção das cha a ser con
or
s nós no in
s, os ângu
ferior da ch
culo do ân
X
5 -0,765
5 -1,577
5 -1,078
5 -0,659
5 0,018
5 -0,760
5 -1,402
5 -0,934
5 -0,509
5 0,035
hapas dos nformada.
nício do pr
ulos de dis
hapa.
ngulo de dis
Fim E
Y
5 54,767
7 24,910
8 -0,204
9 -25,391
8 -54,825
0 54,694
2 24,540
4 -0,550
9 -25,795
5 -54,838
74
nós 1036,
rocesso de
storção da
storção
I
Z
7 -20,925
0 -65,543
4 -65,107
1 -65,609
5 -20,910
4 -20,940
0 -65,532
0 -64,909
5 -65,524
8 -20,665
4
e
a
75
Incremental
Reversa
1020 – EP04
1036 0 52,988 -5,65 -0,498 54,792 -21,224
1050 0 24,962 -5,65 -0,684 24,982 -65,777
1649 0 0 -5,65 -0,576 -0,201 -65,017
2887 0 -24,962 -5,65 -0,663 -25,379 -65,446
2901 0 -52,988 -5,65 -0,480 -54,793 -20,778
Fonte: Elaborado pelo autor.
A Tabela 6 mostra essa distorção em formato de ângulos aproximados,
calculados a partir do deslocamento desses pontos. Como se pode ver as trajetórias
helicoidal e incremental obtiveram ângulos semelhantes enquanto a trajetória
incremental reversa obteve um ângulo menor de distorção. Isso pode ser explicado
por esta trajetória operar em um passo no sentido horário e outro em sentido anti-
horário, sempre alternando os dois.
∆
∆ (13)
∆∆
| || |
∆∆
| || |
∆∆
| || |
∆∆
| || |
Tabela 6 – Ângulos aproximados de distorção para as três trajetórias analisadas.
Ângulo Trajetórias
Helicoidal Incremental Incremental Reversa
Ângulo Sup 3,62º 3,27º 1,57º
Ângulo Sup 1,47º 1,46º 0,96º
Ângulo Inf 1,49º 1,13º 1,50º
Ângulo Inf 0,03º 0,07º 0,92º
Fonte: Elaborado pelo autor.
O deslocamento do nó central 1649 também foi calculado para a direção x e y
e esses valores podem ser vistos na Tabela 7.
76
Tabela 7 – Deslocamento X e Y Para as trajetórias.
Deslocamento
(mm) Helicoidal Incremental
Incremental
Reversa
Deslocamento
X nó 1649 1,078 0,934 0,576
Deslocamento
Y nó 1649 0,204 0,55 0,201
Fonte: Elaborado pelo autor.
É possível observar que a trajetória incremental reversa detém menores
ângulos de distorção, enquanto a helicoidal tem uma distorção maior, mas não
diferencia muito da trajetória incremental. Isso pode ser explicado pela característica
de movimento nos dois sentidos: horário e anti-horário presente na trajetória
incremental reversa. Com relação ao deslocamento do ponto central da chapa pode-
se ver que na direção x é maior a distorção na trajetória helicoidal e maior na direção
y na trajetória incremental.
Agora foi feita uma análise, mantendo a trajetória helicoidal e variando os
tailored blanks. Na parte central tem-se o TB de estudo deste trabalho composto por
Aço 1020 com 1,0 mm de espessura EP04 com 0,8mm de espessura, na lateral
esquerda, tem-se TB com um mesmo material Aço 1020 variando as espessuras em
1,0mm e 0,8 mm e na lateral direita tem-se TB com um mesmo material EP 04
variando as espessuras em 1,0mm e 0,8 mm também.
Na Figura 46 foi feita outra análise de ângulos de distorção utilizando os nós
1036, 1050, 1649, 2887 e 2901, como feito anteriormente. E a Tabela 8 mostra
esses valores nas coordenadas x, y e z encontrados para a mesma trajetória
helicoidal.
Com posse desses valores, os ângulos de distorção da linha de solda foram
calculados na região superior e inferior da chapa. De forma semelhante ao feito
quando as três trajetórias foram analisadas, será feito abaixo para variação de
material usando a mesma trajetória helicoidal. Todos esses valores podem ser vistos
na Tabela 9, Tabela 10.
Figu
T
Tra
Ma
He
102
He
1020
He
EP0
Font
ura 46 – Po105
Tabela 8 –
ajetórias
ateriais
elicoidal
0 – 1020
elicoidal
0 – EP04
elicoidal
4 – EP04
te: Elabora
osição ao f50, 1649, 2
Posições d
Coordena
Nós
1036
1050
1649
2887
2901
1036
1050
1649
2887
2901
1036
1050
1649
2887
2901
ado pelo au
final do pro887 e 290
Fonte
dos nós se
adas
X
6 0
0 0
9 0
7 0
1 0
6 0
0 0
9 0
7 0
1 0
6 0
0 0
9 0
7 0
1 0
utor.
ocesso de 1 na malha
: elaborad
elecionado
Início
X Y
0 52,9
0 24,9
0 0
0 -24,9
0 -52,9
0 52,9
0 24,9
0 0
0 -24,9
0 -52,9
0 52,9
0 24,9
0 0
0 -24,9
0 -52,9
conformaça da chapa
o pelo auto
os para cálc
o EI
Y Z
988 -5,6
962 -5,6
0 -5,6
962 -5,6
988 -5,6
988 -5,6
962 -5,6
0 -5,6
962 -5,6
988 -5,6
988 -5,6
962 -5,6
0 -5,6
962 -5,6
988 -5,6
ção das cha a ser con
or
culo do ân
X
5 -0,555
5 -0,788
5 -0,292
5 0,188
5 0,248
5 -0,765
5 -1,577
5 -1,078
5 -0,659
5 0,018
5 -0,610
5 -0,762
5 -0,430
5 -0,09
5 0,213
hapas dos nformada.
ngulo de dis
Fim E
Y
5 54,856
8 24,860
2 -0,254
8 -25,419
8 -54,901
5 54,767
7 24,910
8 -0,204
9 -25,391
8 -54,825
0 54,829
2 24,960
0 -0,150
1 -25,286
3 -54,798
77
nós 1036,
storção
I
Z
6 -20,783
0 -65,574
4 -65,204
9 -65,542
1 -20,532
7 -20,925
0 -65,543
4 -65,107
1 -65,609
5 -20,910
9 -21,045
0 -65,595
0 -65,142
6 -65,499
8 -20,781
7
78
Tabela 9 – Ângulos aproximados de distorção para os três TB de mesma trajetória helicoidal.
Ângulo/
Deslocamento
Trajetórias e Tailored Blanks
Helicoidal
1020 – 1020
1,0 mm – 0,8mm
Helicoidal
1020 – EP04
1,0 mm – 0,8mm
Helicoidal
EP04 – EP04
1,0 mm – 0,8mm
Ângulo Sup 1,81º 3,62º 1,75º
Ângulo Sup 1,06º 1,47º 1,17º
Ângulo Inf 0,42º 1,49º 0,21º
Ângulo Inf 0,47º 0,03º 0,41º
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 10 – Deslocamento X e Y Para os três TB analisados na trajetória helicoidal
Deslocamento
(mm)
1020 – 1020
1,0 mm – 0,8mm
1020 – EP04
1,0 mm – 0,8mm
EP04 – EP04
1,0 mm – 0,8mm
Deslocamento
X nó 1649 0,292 1,078 0,43
Deslocamento
Y nó 1649 0,254 0,204 0,15
Fonte: Elaborado pelo autor.
Pelas Tabela 9 e Tabela 10 é possível observar que não houve diferenças
significativas de distorção para os Tailored Blanks formados por apenas um material,
mas, comparado ao TB de Aço 1020/EP 04, neste último houve uma distorção
maior, o que pode ser explicado pelo uso de dois materiais diferentes, além das
espessuras diferentes no Tailored Blank. Assim como analisado pela Tabela 7,
considerando a mesma trajetória nos 3 casos, o TB formado por dois materiais
diferentes teve variação maior para a coordenada x do nó central do que a
coordenada y. Para o TB formado apenas pelo SAE 1020 o deslocamento em x e y
do nó central foi similar e no TB formado apenas por EP04 houve uma pequena
diferença nesta variação, que deve ser justificada pelo uso de uma material próprio
para estampagens profundas.
6
resu
resu
com
de 0
Figu
Apen
valo
10%
valo
1%.
6.2. REDUÇ
Para a a
ultando em
ultando em
Pela lei d
ângulo de
0,5 mm par
ura 47 não
nas na inc
res encont
% em relaç
res de esp
Figura
ÇÃO DE E
análise de
m dados q
dados qua
do seno vis
e parede d
ra o Aço 1
o houve d
cremental
trados par
ção ao val
pessura ca
47 – Espe
Figura 4
ESPESSUR
e espessu
qualitativos
antitativos
sta na equ
e 30°, o va
020 e 0,4
iferenças
reversa a
ra o Aço 1
lor encont
aem para
essura fina
Fonte:
48 – Espes
Fonte:
RA
ra foram
s e mapea
e gráficos
uação 1 pa
alor da esp
mm para
significativ
distribuiçã
020 ficam
trado pela
aproximad
al obtida pa
: elaborado
ssura final
: elaborado
feitos con
amento da
s.
ara cálculo
pessura fin
o EP 04. C
vas de esp
ão de esp
próximos
lei do se
damente 0
ara as três
o pelo auto
obtida par
o pelo auto
ntornos em
a espessu
de espess
nal ao long
Conforme
pessura pa
pessura foi
a 0,55 mm
no. E no
0,4 mm, co
trajetórias
or.
ra os três T
or.
m 2D de
ra a parti
sura, tendo
go do proc
se pode a
ara as 3 t
i mais uni
m, tendo u
caso do E
om erro p
s analisada
TB.
79
espessura
r dos nós
o um cone
esso seria
analisar na
trajetórias.
forme. Os
um erro de
EP 04, os
próximo de
as.
9
a
s
e
a
a
.
s
e
s
e
traje
0,8m
na d
cont
feita
de e
form
med
long
chap
que
pont
Figu
Na Figura
etória helic
mm de esp
direita apen
tinua com u
em cima
espessura
ma pode-se
didas de es
Para o m
o da regiã
pa ao long
há diferen
Fig
Para me
tos especí
ura 50.
Figu
a 48 tem-s
coidal. Par
pessura. O
nas EP04
uma aprox
do TB de
é mais un
e ver que
spessura o
modelo 3D
ão de esta
go do cone
ças dimen
gura 49 – S
edida da e
íficos e es
ra 50 – Dir
se uma aná
ra o TB a
central é c
com 1,0m
ximação ra
mesmo m
iforme e o
e a lei do
obtidas pelo
é interess
ampagem.
e conforma
nsionais de
Secção mé
Fonte:
espessura
stas foram
reções de
Fonte:
álise da es
a esquerda
composto
mm e 0,8 m
azoável. É
aterial seja
os valores
o seno tra
o modelo 2
sante tamb
Na Figura
ado. Por e
evido ao sp
édia do con
: Elaborado
em um m
m medidas
medida de
: elaborado
D
spessura d
a se tem
por SAE 1
mm. A esp
possível re
a com Aço
de espess
az uma ap
2D das três
bém fazer
a 49 tem-s
esta figura
pring back
ne mostran
o pelo auto
modelo 3D
ao longo
e espessur
o pelo auto
Direção 2:1
Direção 3
os TB, ma
apenas S
1020 1,0m
essura seg
eparar que
o 1020 ou
sura finais
proximação
s trajetória
uma análi
se um per
a é possíve
ou retorno
ndo o perfi
or.
D, esta de
dos cami
ra para com
or.
Dire102
1020
: EP04
antendo ap
SAE1020 c
m e EP04
gundo a le
e quando a
EP04, a d
semelhan
o razoáve
as.
ise de esp
rfil da esp
el observa
o elástico.
il em 3D.
eve ser m
inhos mos
mparação.
eção 1: 20/EP04
80
penas uma
com 1,0 e
0,8mm. E
ei do seno
a análise é
istribuição
tes. Desta
el para as
pessura ao
essura da
ar também
medida em
strados na
.
0
a
e
E
o
é
o
a
s
o
a
m
m
a
81
A direção 1 está perpendicular a linha de união entre os dois materiais sendo
composta por SAE1020 e EP04. A direção 2 e a 3 estão sobre a linha de união dos
materiais, sendo que a 2será medida no SAE 1020 e a 3 no EP04.
Pela Lei do seno, tem-se que a espessura do SAE 1020 chegaria a 0,5 mm e o
EP04 chegaria a 0,4 mm. As figuras a seguir mostram um mapeamento destas
espessuras nos 93 nós existentes ao longo das direções 1, 2 e 3. A Figura 51
mostra a comparação das direções para a trajetória helicoidal. É possível verificar
que a região do SAE 1020 da direção 1 é condizente com a direção 2 salvo uma
pequena diferença da menor espessura e a região do EP04 da direção 1 também
tem uma relação boa com a direção 3 e também há esta diferença para a menor
espessura sendo que a menor espessura do EP04 está na direção 3 e a menor do
SAE1020 está na direção 2.
Figura 51 – Espessura para as três direções na trajetória helicoidal em 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
A Figura 52 mostra as espessuras no modelo 2D e modelo 3D, para cada
direção analisada na trajetória helicoidal. Para a direção 1 é possível ver que há
correlação dos valores de espessura 2D e 3D, tendo uma pequena variação de 0,4%
na menor espessura chegada do SAE 1020 e 1,6% pelo EP04. Na direção 2 e
direção 3 as diferenças são mais evidentes chegando a quase 9% para os dois
materiais na 2 e 10,5% no SAE 1020 e 6,8% no EP04 para a 3 e isso pode ser
explicado por ser a região de união entre os dois materiais. O modelo 2D tem menor
espessura de 0,493 mm na direção 2 do SAE 1020 e menor de 0,367 mm na direção
3 do EP 04.
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Helicoidal1020 e EP04 - 3D
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
Dir 1 Dir 2 Dir 3
82
Figura 52 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória helicoidal em 2D e 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Trajetória HelicoidalDireção 1 - 1020 e EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Helicoidal
Direção 2 - 1020
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Helicoidal
Direção 3 - EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
têm
se e
cada
APÊ
6
mes
utiliz
aum
vai s
cont
força
cam
esse
A compa
um compo
ncontram
Os gráfic
a direção
ÊNDICE A
6.3. FORÇA
Um dado
mo. O grá
zada, as fo
mentando d
se aprofun
tato pontua
a maior pa
inho do qu
e motivo, te
Figura 53
ração das
ortamento
no APÊND
cos que rep
analisada
e ambas s
AS DE CO
o importan
áfico repres
orças result
de acordo c
ndando a
al, passan
ara prosse
ue as outr
em uma se
– Magnitudhelic
direções p
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DICE A.
presentam
na trajetó
seguem o m
ONTATO E
nte para co
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tantes do c
com o cam
forma de
do a ter u
guir no ca
ras duas tr
equência u
de das forçcoidal, incre
Fonte:
para a traj
te a trajetó
mostram
ória increm
mesmo co
ENTRE A E
ontrole do
a Figura 5
contato ine
minho perc
contato d
uma maior
aminho. A
rajetórias i
um pouco m
ças de conemental e
: Elaborado
etória incre
ória helicoi
as espess
mental e i
mportame
ESFERA E
processo
3 mostra q
erentes ao
corrido no
da esfera
r área de c
trajetória
incrementa
maior ao fi
ntato obserincrement
o pelo auto
emental e
idal e os g
uras no m
incrementa
nto da traje
E O TAILOR
são as fo
que indepe
processo
cone. À m
muda, sen
contato, se
helicoidal t
al e increm
nal do gráf
rvadas nasal reversa.
or.
increment
gráficos rel
odelo 2D e
al reversa
etória helic
RED BLA
orças envo
endente da
são simila
medida que
ndo inicial
e utilizand
tem mais
mental reve
fico.
s três traje.
83
tal reversa
acionados
e 3D, para
estão no
coidal.
NK
olvidas no
a trajetória
ares, e vão
e o punção
mente um
do de uma
pontos no
ersa e por
tórias:
3
a
s
a
o
o
a
o
o
m
a
o
r
corte
pequ
devid
de p
máx
1020
F
F
Para se
e entre 4,
uena difere
do a difere
pontos é um
ximo e de
0 de 1,0 m
Figura 54 –
Figura 55 –h
ter uma a
7s e 5s m
ença de fa
ença dos p
m pouco m
mínimo pa
m de espe
– Magnitudhelicoidal
– Magnitudhelicoidal, i
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mostrado
ase entre a
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maior. É po
ara as forç
essura e os
de das For, incremen
Fonte:
de das Forincrementa
Fonte:
ais detalha
na Figura
a trajetória
izados nas
ossível obs
ças no co
s mínimos
rças de conntal e incre
: Elaborado
rças de conal e increm
: Elaborado
ada sobre
54. É po
a helicoida
s trajetória
servar tamb
ntato. Ess
no EP04 c
ntato obseemental rev
o pelo auto
ntato obsemental reve
o pelo auto
o gráfico
ossível obs
l e as outr
s e na hel
bém a pres
es máximo
com 0,8 m
rvadas nasversa 4,7s
or.
rvadas nasersa 4,8s –
or.
anterior fo
servar que
ras. Isto é
icoidal a q
sença de r
os ocorrem
mm.
s três traje– 5s.
s três traje– 4,82s.
84
oi feito um
e há uma
explicado
quantidade
regiões de
m no SAE
etórias:
etórias:
4
m
a
o
e
e
E
55, p
outra
incre
helic
Fi
outra
e YY
Fig
Aumenta
pode-se ve
as duas e
emento em
Para aná
coidal. Na
igura 56 –
Como era
as já que o
Y há um ca
gura 57 – M
ndo um po
er que a te
e isso é e
m z é feito a
álise das fo
Figura 56 é
Magnitude
a de se es
o incremen
aráter perió
Magnitude
ouco mais
ensão helic
explicado
a cada pon
orças nas d
é possível
e das Forçmesm
sperar a fo
nto vertica
ódico em to
das Força
o nosso g
coidal deté
pela cara
nto.
direções X
ver a com
ças de contma trajetória
orça norma
l do proce
orno do 0,
as de conta2D e 3
gráfico para
ém forças
acterística
XX, YY e Z
mparação d
tato na direa: helicoida
al na direç
sso ocorre
tendo forç
ato na dire3D.
a entre 4,8
um pouco
inerente
ZZ usou-se
destas força
eção XX, Yal.
ção ZZ é m
e no eixo z
ças positiva
ção ZZ tra
8s e 4,82s
menores
à trajetóri
e apenas a
ças.
YY e ZZ pa
maior em r
z. Para as
as e negat
ajetória incr
85
na Figura
do que as
a onde o
a trajetória
ara uma
relação às
forças XX
tivas.
remental
5
a
s
o
a
s
X
mod
verif
no m
difer
mes
apen
1,0m
Fig
A Figura
delo 2D e
ficar que a
modelo 3D
Para se
rentes tailo
ma trajetó
nas de SA
mm e EP04
Figura 5
gura 59 – M
a 57 most
3D. Foi e
apesar de a
é um pouc
ter uma
ored blank
ória increm
AE 1020 co
4 0,8mm e
58 – Magn
Magnitude
ra as forç
escolhida
ambas seg
co maior.
a compara
ks foi feito
mental no m
om 2 espe
o terceiro
nitude das
e das Força
ças na dir
a ZZ dev
guirem um
ação do
o o gráfico
modelo 2D
essuras: 1,
apenas E
Forças de
as de conta5,4s
reção ZZ,
vido a mes
ma mesma
comporta
o mostrado
D, sendo q
,0mm e 0,
P04 com 1
contato na
ato na dire.
trajetória
sma ser a
cronologia
mento da
o na Figur
ue o prim
8mm, o se
1,0mm e 0,
a direção Z
eção ZZ pa
increment
a maior. É
a, a força o
as forças
ra 58. Nel
eiro TB é
egundo é
,8mm de e
ZZ para 3 T
ara 3 TB en
86
tal para o
É possível
observada
mediante
e há uma
composto
SAE 1020
espessura.
TB.
ntre 5s e
6
o
l
a
e
a
o
0
maio
mais
Figu
obse
mes
de 1
tamb
1020
da c
6
tens
resu
tens
finas
abai
simu
são
mate
vista
É possív
ores e isso
s difícil de
Foi feita
ura 59 de
ervar os m
mo materi
1,0 mm de
bém que a
0 de 0,8m
chapa.
6.4. TENSÕ
Esta seç
ões residu
6.4.1.
Para faze
ultados ap
ões obtida
s para repr
xo há um
ulações em
aplicados
erial.
Na Figur
a superior
vel verificar
o pode ser
ser confor
uma ampl
forma a m
mesmos pic
al e isso é
e espessu
a força exe
m o que m
ÕES
ão será d
uais e uma
TENSÕE
er as análi
resentados
as na vista
resentar um
ma represe
m 3D como
já é poss
Figura 6
ra 61, tem
do cone
r pelas fig
r observado
mado.
liação no g
melhor com
cos de máx
é explicado
ra exige m
ercida no E
mostra a in
ividida em
análise qu
ES VON M
ses de ten
s em tens
a inferior, j
m modelo
entação d
o os eleme
sível verific
60 – Vistas
-se um an
conformad
Vi
guras ante
o também
gráfico da
mpreender
ximo e mín
o pela dife
mais do q
EP04 de 1,
nfluência d
m uma aná
uantitativa
MISES EM
nsão residu
sões obtid
já que o m
3D com m
dessas vis
entos são s
car ao lon
s superior e
nálise qual
do para as
sta Superi
Vista Infer
riores que
pelas car
Figura 58
r o compo
nimo mesm
erença de e
ue um de
0mm é ma
destes dois
álise qualita
por meio d
2D e 3D
ual em ele
das na vis
modelo 2D
menor custo
stas para
sólidos, qu
ngo da es
e Inferior d
litativa da
s três traje
or
rior
e as forças
acterística
8 entre 5s
ortamento
mo para ao
espessura
e 0,8mm. É
aior do que
s parâmet
ativa atrav
de compon
mentos 2D
sta superio
D é usado
o computa
o modelo
uando os c
pessura o
do modelo
tensão re
etórias. An
s no SAE
as do mate
e 5,4s mo
dos TB. É
o TB comp
, já que um
É possíve
e a exercid
tros na est
vés de con
nentes de
D e 3D, div
or do mod
no caso d
acional. Na
o 2D. No
contornos d
o comporta
2D.
esidual loca
nalisando
87
1020 são
erial, que é
ostrado na
É possível
postos por
m material
l observar
da no SAE
tampagem
ntornos de
tensão.
vidiu-se os
delo e as
de chapas
Figura 60
caso das
de valores
amento do
alizada na
a figura é
7
o
é
a
l
r
l
r
E
m
e
s
s
s
0
s
s
o
a
é
poss
apre
noçã
difer
Fig
conf
anal
traje
ser
com
mod
2D e
supe
verif
enqu
caso
verif
deté
sível ver q
esentada n
ão exata d
renças sign
gura 61 – Tmais o co
. Na Fig
formado p
isar que a
etórias e is
feito a ca
o ocorre n
delo 2D é u
Para veri
e tensão n
erior das tr
ficar que n
uanto na v
o a tensão
ficado ess
ém compor
ue a tensã
no SAE 10
da diferenç
nificativas
Tensão Suontato entr
ura 62 é
para as trê
a tensão m
sso pode s
ada ponto,
nas trajetór
um pouco m
ificar as di
no modelo
rês condiçõ
o modelo
vista inferi
o superior
se compor
rtamentos s
ão residua
020. Foi us
ça de tens
de tensão
perior de Ve a esfera
Fonte
represent
ês trajetór
mostrada n
ser explica
não prov
rias increm
maior do q
ferenças g
3D, foram
ões e a vis
3D na vist
or se ass
é um pou
rtamento a
semelhant
al apresent
sada uma
são obser
para as tr
Von Missee a chapa
: elaborad
tada a ten
rias analis
na trajetória
ado pelo in
vocando te
mental e in
ue a tensã
geradas na
m geradas
sta inferior
ta superior
emelha a
uco maior
apenas na
tes.
tada no EP
mesma e
rvada. É p
ês trajetóri
s para o fina para as tr
o pelo auto
nsão resid
sadas. Par
a helicoida
ncremento
ensões ma
cremental
ão inferior.
as tensões
duas figura
r pode ser
r, a tensão
tensão in
e mais a
a trajetória
P04 é men
scala de c
possível ob
ias.
nal do procrês trajetór
or
ual na vis
ra a vista
al é menor
vertical e
aiores num
reversa. A
s inferior e
as: a Figu
vista na F
é bem inf
ferior do m
brangente
a increme
nor do que
cor para p
bservar qu
cesso ondrias analisa
sta inferior
a inferior é
r do que n
em z nesta
ma altura
A tensão s
superior n
ra 63 mos
Figura 64.
ferior às ou
modelo 2D
e que as o
ntal pois
88
e a tensão
poder ter a
ue não há
e não há adas.
r do cone
é possível
nas outras
a trajetória
z apenas,
uperior no
no modelo
stra a vista
É possível
utras duas
D, e neste
outras. Foi
as outras
8
o
a
á
e
l
s
a
o
o
a
l
s
e
i
s
Fi
F
gura 62 – mais o co
Figura 63 –
Figura 64
Tensão Inontato entr
– Tensões
– Tensões
ferior de Ve a esfera
residuais traj
s residuaistraj
Fonte:
Von Missese a chapa
2D inferiorjetória incr
s 2D inferioetória incre
: elaborado
s para o fina para as tr
r e superioremental.
or e superioemental .
o pelo auto
nal do procrês trajetór
or e 3D na
or e 3D na
or.
cesso onderias analisa
vista supe
a vista infer
89
e não há adas.
erior na
rior na
9
varia
da e
do tr
EP0
tens
apen
F
no i
supe
Figu
A Figura
ações de T
esquerda m
rabalho 10
4, novame
ões são m
nas EP04 t
Figura 65 –
Na Figura
nício da c
erior.
ura 66 – Te
a 65 mos
Tailored Bl
medindo 1,
020 a 1,0
ente, 1,0m
maiores no
teve tensõ
– Tensões apenas
a 66 tem-s
conformaç
ensão de V
(a
tra uma
lanks. Na
0 mm e na
mm e EP0
mm na esq
o SAE 102
ões inferior
Inferiores s 1020(a) 1
Fonte:
se uma visã
ão para a
Von Missesna vista
a)
mesma tr
primeira im
a direita 0,
04 a 0,8m
querda e 0
20 em am
res menos
para 3 Tai1020/EP04
: elaborado
ão de com
as tensões
s para o ina superior p
rajetória, a
magem se
,8 mm. No
m. Na terc
0,8mm na
mbas as si
expressiva
ilored Blan4(b) e apen
o pelo auto
mo a tensão
s inferior e
nício de copara 2D e
(b)
a saber,
tem apen
meio, tem
ceira imag
direita. É
tuações. O
as do que
ks analisanas EP04(
or.
o atua na t
e superior
ntato entre3D.
)
increment
nas 1020 c
m-se o TB
gem TB co
possível v
O TB com
os demais
ados em 2D(c).
trajetória in
r 2D e 3D
e a esfera e
90
al, e três
com o lado
tradicional
om apenas
ver que as
mposto por
s.
D. Com
ncremental
D na vista
e a chapa
(c)
0
s
o
l
s
s
r
l
a
estã
Mise
esta
gera
a ch
tens
sofre
distr
distr
Figu
de te
pouc
supe
próx
tens
distr
A visão p
o com a m
es. Como
foi mostra
al ela é ma
As tensõe
apa, se en
ões residu
e aumento
Nos mod
ribuída ao
ribuição de
ura 67 tem
ensão para
co menore
erior no SA
ximos a 600
Na Figur
ão residua
ribuição qu
Figura 67
para a vist
mesma esc
para as ou
ada. A tens
ior na vista
es de Von
ncontram n
uais, salvo
o.
delos em
o longo d
e tensão on
a vista infe
a as três t
es. Pode-s
AE 1020 e
0 Mpa.
ra 68, ond
al nos dois
uase unifor
7 – Tensão
ta inferior
cala de cor
utras traje
são, como
a inferior d
Misses pa
no APÊND
que a me
3 dimens
a espess
nde é mais
erior para
trajetórias,
se observ
e os picos
de tem-se
s materiais
rme indepe
o residual n
Fonte:
se encont
para se te
tórias o co
esperado,
a chapa.
ara o meio
DICE B e se
dida que o
sões é po
sura e po
s intensa n
as três tra
mas a tra
var que pa
máximos
a vista su
s não cheg
endente da
na vista infelemento
: Elaborado
tra no APÊ
er uma ide
omportame
, se manté
o do proces
eguem com
o caminho
ossível no
or esse m
a vista infe
ajetórias. N
ajetória he
ara o mod
dessas te
uperior da
ga a ter dif
a trajetória
ferior da pes 3D.
o pelo auto
ÊNDICE B
ia melhor d
ento ficou
ém maior n
sso, no co
mportamen
vai sendo
otar que a
motivo inic
erior do co
Não há dife
licoidal ap
delo 3D a
nsões resi
chapa, p
ferenças, e
utilizada.
eça estamp
or.
B. Todos o
desta tens
semelhan
no SAE 102
ontato da e
ntos seme
o percorrido
a tensão
cialmente
one já conf
erenças sig
presenta te
a tensão
iduais se e
pode-se no
e acaba po
pada utiliz
91
os gráficos
ão de Von
te apenas
20, e a em
esfera com
lhantes as
o a tensão
pode ser
tem-se a
ormado. A
gnificativas
ensões um
residual é
encontram
otar que a
or ter uma
ando
s
n
s
m
m
s
o
r
a
A
s
m
é
m
a
a
69 é
da e
nest
tend
Fig
de te
da F
reaç
espe
Figura 68
Na vista a
é possível o
espessura e
te caso é a
do em seu
gura 69 – T
Para aná
ensão da F
Figura 71 q
ção nos e
essura. A t
– Tensão
ao longo d
observar q
e esta tens
a tensão d
último elem
Tensão re
álise das te
Figura 70 q
quando a
elementos
tensão ana
residual n
Fonte:
da espessu
que a tensã
são vai au
de Von Mis
mento a te
sidual distr
Fonte:
ensões no
quando a e
esfera se
próximos
alisada foi
na vista supelemento
: Elaborado
ura do SAE
ão maior s
mentando
sses. O co
ensão resid
ribuída ao 1020
: Elaborada
momento
esfera está
move sob
s mostrand
a de Von
perior da ps 3D.
o pelo auto
E 1020 fora
se encontra
até chega
omportame
dual maior.
longo da e0.
a pelo auto
do contat
á se movim
bre o EP04
do o com
Misses e
peça estam
or.
a da solda
a no último
ar neste. A
ento é o m
espessura
or.
to, foram c
mentando s
4. Em amb
mportamen
em geral
mpada utiliz
a mostrada
o elemento
A tensão co
mesmo par
na região
criados os
sobre o SA
bas as situ
nto ao lon
é possíve
92
zando
na Figura
o ao longo
onsiderada
ra o EP04,
do SAE
contornos
AE 1020, e
uações há
ngo desta
l perceber
2
a
o
a
s
e
á
a
r
uma
prim
Fig
Fig
e os
F
a concentra
meiros e últ
ura 70 – C
ura 71 – C
Foram av
elementos
Figura 72 –
ação de te
imos elem
Concentraç
Concentraç
valiados do
s foram ret
– Tensão p
ensão na r
entos.
ção de tenstrajet
ção de tenstrajet
ois momen
tirados ao
para eleme8
Fonte:
região de
são na regtória helico
são na regtória helico
ntos onde
longo do c
entos 3D p8,222s e 8
: elaborado
união dos
ião da soldoidal em 3D
ião da soldoidal em 3D
a esfera p
cordão, co
róximos a 8,225s.
o pelo auto
dois mate
da no momD
da no momD
passa próx
mo mostra
linha de so
or.
eriais e ma
mento do c
mento do c
xima a linha
a a Figura
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93
aiores nos
ontato na
ontato na
a de solda
72.
tempos
3
s
a
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mes
1020
dem
os e
Dest
direç
é pla
e XY
gráfi
1020
tens
SAE
É possív
ra está ma
mo quand
0 e vice-ve
marcada.
6.4.2.
Além das
estados pla
ta forma p
ção requer
anar. A rep
Figura
Para o m
Y, YZ e ZX
Com pos
icos de com
0->EP04.
ões norma
E 1020, se
vel ver com
ais do lado
do a esfera
ersa. A dis
COMPO
s tensões
anos de t
podem-se
rida. Para
presentaçã
73 – Tens
modelo 3D s
X(cisalhante
sse dos va
mparação
No modelo
ais XX, XY
ndo o 1 o
mo ocorre
o do SAE 1
a se encon
stribuição d
NENTES D
residuais
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ter tensõe
o modelo 2
ão das mes
sores XX, X
Fonte:
são possív
es) e a rep
alores das
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o 2D foram
Y e YY. No
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a distribu
020 e mai
ntra no EP
da tensão
DE TENSÃ
e durante
deformaçã
es trativas,
2D só é po
smas está
XY e YY no
: Elaborado
veis as 6 o
presentaçã
compone
a trajetória
m colhidos
o modelo 3
o mais sup
uição da te
is ao lado
P04 há con
ocorre de
ÃO EM 2D
o process
o residuai
, compress
ossível ter
mostrada
o modelo 2
o pelo auto
pções sen
ão delas po
entes de te
e para o s
s os valore
3D foram u
perior e o
ensão nes
do EP04. É
ncentração
e forma ho
D E 3D
so também
s e no m
sivas e cis
XX, YY e
na Figura
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or.
do elas XX
ode ser vist
ensão 2D
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es superio
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É possível
o de tensã
omogênea
m se podem
momento d
salhantes
XY já que
73.
s elemento
X, YY, ZZ (
ta na Figu
e 3D fora
strado na
ores e infe
elementos
ento mais
94
quando a
notar que
ão no SAE
na região
m analisar
o contato.
para cada
e o modelo
os.
(normais)
ra 74.
am criados
seção 5.7:
riores das
s 1 a 5 do
inferior da
4
a
e
E
o
r
.
a
o
s
:
s
o
a
chap
o ele
na F
ser v
3D.
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tens
Esse
com
solda
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EP0
pa. De form
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Figura 43 n
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Figura 74
Para se t
métrica, co
ões fora d
es pontos
parados a
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a e na re
res de ten
4 em elem
ma semelh
ais superio
na seção d
Figura 42.
4 – Tensore
ter uma id
omo é o
da linha de
foram col
os pontos
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hante no E
or e o 4 o e
de Materia
As posiçõ
es XX, XY,
Fonte:
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hidos apen
na região
ra 76 repre
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AE 1020 fo
direita com
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elemento m
ais e Métod
ões analisa
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: Elaborado
e acontece
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de união e
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adas no S
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mo ocorre n
m usados o
mais inferio
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adas foram
ZZ e ZX nonto.
o pelo auto
e quando
ank analis
materiais
ajetória inc
entre os do
as tensões
SAE 1020
isados em
no tailored
os elemen
or da chapa
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m as mesm
o modelo 3
or.
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como mos
cremental e
ois materia
normais X
e EP04 r
m elemento
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B, C, D e
mas no mo
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ntinuidade
m colhidas
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e os mesm
ais.
XX, YY e Z
respectivam
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95
sendo o 1
i mostrado
e E podem
odelo 2D e
único
material e
s também
Figura 41.
mos serão
ZZ fora da
mente. Os
uerda e do
5
o
m
e
e
m
.
o
a
s
o
96
Figura 75 – Tensões normais XX, YY, ZZ nos elementos do SAE 1020 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o X
X E
sq. 1
020
(MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
XX
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
YY
Esq
. 102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o Y
Y 1
020
(MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
Esq
. 102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
97
Figura 76 – Tensões normais XX, YY, ZZ nos elementos do EP04 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o X
X E
P04
Dir
. (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
XX
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 D
ir. (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o Y
Y E
P04
(M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
EP
04 D
ir. (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
98
Pela análise dos gráficos das tensões fora da região de união entre as duas
chapas é possível verificar que mesmo quando se tem a união de elementos de
mesmo material e espessura, o comportamento das tensões é semelhante ao
observado na região de solda, salvo que quando há apenas SAE 1020 ou EP04 os
picos de tensão são mais altos. Entre as posições B e C é possível verificar valores
de tensão bem próximos para os elementos ao longo da espessura. A tensão ZZ é
maior no SAE 1020 do que no EP 04. Há tensões compressivas na posição A bem
altas para o último elemento.
Segundo a revisão bibliográfica, podemos calcular as tensões circunferencial,
meridional e ao longo da espessura pelas equações (2), (3) e (4) e os valores
obtidos para o nosso caso são mostrados na Tabela 11. Os valores simulados foram
retirados para a região fora da solda, tomando o elemento 3 para o SAE 1020 e a
média dos elementos 2 e 3 para o EP04, já que nesse material não é possível obter
um valor mediano. Foi calculada a razão entre os valores calculados segundo a
literatura e os valores encontrados mediante simulação numérica e a mesma se
manteve constante para a maioria das tensões analisadas, salvo a tensão ao longo
da espessura para o EP04.
Tabela 11 – Valores de tensão calculados segundo a literatura fora da linha de solda
Tensões Tensão
Meridional ∅
Tensão ao longo
da espessura
Tensão
circunferencial
SAE 1020 Calculado 220 Mpa -39 Mpa 91 Mpa
SAE 1020 Simulado 608 Mpa -111 Mpa 251 Mpa
Razão Calc/Sim 0,36 0,35 0,36
EP04 Calculado 123 Mpa -17 Mpa 53 Mpa
EP04 Simulado 480 Mpa -95 Mpa 200 Mpa
Razão Calc/Sim 0,26 0,18 0,26
Fonte: elaborado pelo autor.
Como pode se ver na tabela, os valores encontrados através da literatura se
diferem muito dos encontrados nas simulações. Para chegar a essses valores os
autores usaram muitas considerações como material perfeitamente plástico,
ausência de encruamento e condições de membrana para a chapa, logo, essa
diferença já seria esperada. Apesar da enorme diferença de valores, a razão ter se
mantido constante mostra que os valores podem estar se mantendo condizentes.
99
Para a região de união entre os dois materiais, é possível verificar que dentre
as tensões normais as maiores são as XX e YY, sendo XX meridional e YY
circunferencial. As tensões alcançam picos maiores no SAE 1020 e entre as
posições B e C tendem a ter valores próximos para todos os elementos da
espessura tanto do SAE 1020 quanto do EP04. As maiores tensões, independente
de serem trativas ou compressivas ocorrem no primeiro e último elementos da
espessura tanto do SAE 1020 e EP04, devido ao efeito de flexão.
As tensões XX e YY encontradas nas posições A e E variam para cada
elemento desde o primeiro até o último. O primeiro elemento tanto no SAE 1020
quanto no EP 04, quando visto ao longo do percurso que vai de A até E, alterna de
tensões trativas a compressivas.
Na região de solda as tensões XX e YY não tendem a ser maiores do que fora
dela, o que mostra que a descontinuidade geométrica e material está sofrendo
influência sobre os elementos, evidenciando assim a necessidade de uma
caracterização do cordão de solda envolvido. Embora fora da solda as tensões são
maiores tem muitas tensões compressivas de valor alto na tensão circunferencial
YY. O valor obtido na posição D, na região de solda para essa tensão, próximo de
900 Mpa trativa pode estar relacionado a uma falha na direção circunferencial, que é
comum ser encontrada em regiões de solda.
Embora as tensões normais XX e YY se mantenham maiores nos elementos
fora da linha de solda a proporção entre o primeiro e último elemento se mantém
constante na maioria dos casos para as duas situações: fora e na linha de solda. Os
valores alcançados na linha de solda são um pouco menores mas podem justificar
uma falha naquela região tanto na direção circunferencial como na direção
meridional.
As tensões normais ZZ ao longo da espessura foram maiores na região de
descontinuidade material e geométrica, chegando a valores próximos de 500 Mpa no
SAE 1020 na posição B próxima a linha de solda. No entanto, em geral os valores
encontrados para essa tensão são bem inferiores se comparados as outras normais.
A Figura 77 e Figura 78 representam as tensões cisalhantes XY, YZ e ZX fora
da solda e na região da solda retiradas no SAE 1020 e EP04 respectivamente. Os
valores de tensão do SAE 1020 foram analisados em elementos da esquerda e do
EP04 em elementos da direita como ocorre no tailored blank.
100
Figura 77 – Tensões cisalhantes XY, YZ, ZX nos elementos do SAE 1020 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o X
Y E
sq. 1
020
(MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
XY
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
Esq
. 102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
Esq
. 102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
101
Figura 78 – Tensões cisalhantes XY, YZ, ZX nos elementos do EP04 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
Fonte: elaborado pelo autor
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o X
Y E
P04
Dir
. (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
EP
04 D
ir. (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04T
ensã
o Y
Z E
P04
(M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
EP
04 D
ir. (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
102
As tensões cisalhantes, responsáveis pelas deformações plásticas, podem ser
consideradas muito pequenas se comparadas as normais, responsáveis pelas
deformações elásticas. Dentre elas, a YZ é a que alcança valores mais altos. Fora
da região de solda o comportamento é semelhante ao dentro desta região e a
tensão XY do SAE 1020 tem valores maiores para a região fora da solda.
A Figura 79 e Figura 80 mostram as tensões encontradas na trajetória
incremental reversa , no sentido 1: 1020->EP04 para SAE 1020 e EP04
respectivamente. Para a trajetória incremental reversa as tensões cisalhantes são
semelhantes as outras trajetórias e ainda podem ser consideradas muito pequenas
se comparadas as tensões normais. As tensões circunferenciais YY são um pouco
maiores e isso pode ser explicado pela característica reversa da trajetória. As
tensões meridionais XX tem um comportamento um pouco diferente da incremental
e os valores compressivos alcançados tem diferenças de 200 Mpa. Em geral os
valores de tensão são semelhantes aos outros casos analisados
As tensões na trajetória helicoidal seguem o mesmo comportamento da tensão
incremental, salvo algumas diferenças de 50 a 100 Mpa maiores na trajetória
incremental, devido a força que deve ser exercida para manter o punção na altura z
do incremento. As componentes de tensão da trajetória helicoidal se encontram no
APÊNDICE C.
103
Figura 79 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do SAE1020, na trajetória incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04
Fonte: elaborado pelo autor
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04T
ensã
o X
X 1
020
(MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
YY
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04T
ensã
o X
Y 1
020
(MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
104
Figura 80 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do EP04, na trajetória incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04
Fonte: elaborado pelo autor
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04T
ensã
o X
X E
P04
(M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Incremental Reversa
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
105
A seguir há uma comparação entre os valores obtidos pelo modelo 2D e 3D.
Na Figura 81 é possível observar as tensões XX, XY e YY para o SAE 1020 no
sentido 1020->EP04 da trajetória helicoidal e na Figura 82 as tensões para o EP04
nas mesmas condições. É possível observar que as tensões cisalhantes XY tem
valores bem pequenos se comparados as tensões normais XX e YY. A correlação
entre os valores 2D e 3D inferem diferenças consideráveis que vão de 100 a
250Mpa. O modelo 2D usa um estado plano de tensão equanto o 3D um estado
triaxial de tensão e essa diferença pode ser explicada devido ao modelo 2D não
considerar tensões em ZZ, ZX e YZ. O modelo 2D pode ser muito simplificado para
modelar um estado de tensão.
Os gráficos semelhantes para as trajetórias incremental e incremental reversa
se encontram no APÊNDICE D e em geral tem comportamento semelhantante a
trajetória helicoidal, salvo as tensões cisalhantes maiores na incremental reversa,
mas, ainda assim bem pequenas se comparadas as tensões normais.
106
Figura 81 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória helicoidal, sentido 1 no SAE 1020.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
XX
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
YY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
XY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
107
Figura 82 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória helicoidal, sentido 1 no EP04.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
XX
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
6
defo
defo
três
em
pode
máx
F
mate
espe
emp
mos
6.5. DEFOR
Esta seç
ormações d
ormações p
6.5.1.
Na Figura
trajetórias
relação a
e ser cons
ximo encon
Figura 83 –
Conforme
eriais nos
essura e S
pregados, s
tra influênc
RMAÇÕES
ão será d
de Von Mis
principais.
DEFORM
a 83 é mos
. É possív
trajetória
tatado que
ntrado foi n
– Deforma
e pode se
diferente
SAE1020/E
sendo que
cia sobre o
S
ividida em
sses e uma
MAÇÕES
strada uma
vel observa
utilizada. A
e no EP04
neste mate
ção plástic
Fonte:
er visto n
s Tailored
EP04), a d
e no EP04
os valores
m uma aná
a análise q
DE VON M
a imagem
ar que não
A diferenç
a deforma
erial e ficou
ca apresenprocess
: Elaborado
na Figura
d Blanks
eformação
é sempre
apresenta
álise qualita
quantitativa
MISES
referente
o há grande
ça consiste
ação plást
u próximo a
ntada pelasso.
o pelo auto
84, onde
(apenas S
o plástica e
e maior e a
ados.
ativa atrav
a por meio
à deforma
es diferenç
e no mate
ica é um p
a 0,5 para
s três traje
or.
é mostra
SAE1020
está bem
a diferença
vés de con
de compo
ação plástic
ças deste
erial avalia
pouco maio
os modelo
etórias ao f
ado a var
ou EP04
ligada aos
a de espe
108
ntornos de
onentes de
ca para as
parâmetro
ado, o que
or. O valor
os 2D.
final do
iação dos
4 variando
s materiais
essura não
8
e
e
s
o
e
r
s
o
s
o
Figu
plást
a de
defo
defo
ura 84 – De
A Figura
tica em um
eformação
ormação m
ormação m
Figura
eformação
85 mostra
ma mesma
foi bem
máxima de
áxima de V
85 – Defor
o plástica a
Fonte:
a uma com
a trajetória
mais alta
e Von Miss
Von Misse
rmação plá
Fonte:
apresentad
: Elaborado
mparação
increment
do que n
ses para
es.
ástica apre
: Elaborado
da pelos 3 T
o pelo auto
dos mode
tal. É poss
no 2D. Pa
gerar a fig
esentada p
o pelo auto
TB para tra
or.
los 2D e 3
ível ver qu
ara o mod
gura e pa
pelos mode
or.
ajetória inc
3D para de
ue para o m
delo 2D fo
ara o 3D t
elos 2D e 3
109
cremental.
eformação
modelo 3D
oi usada a
também a
3D.
9
o
D
a
a
distr
elem
conf
defo
86 m
É po
EP0
traje
F
Fi
Diferente
ribuição d
mentos são
formado. D
ormação pl
mostra a vi
ossível ver
4, mas qu
etória escol
Figura 86 –
gura 87 –
emente da
as deform
o 3D tamb
Depois foi
ástica é m
sta inferior
r que assim
ue não há
lhida.
– Deformaç
Deformaçã
a tensão,
mações ao
ém foi feit
tirada um
maior a fim
r enquanto
m como no
á considerá
ção Plástic
Fonte:
ão Plástica
Fonte:
quando
o longo d
ta uma vis
ma vista d
de compa
o a Figura
os element
ráveis dife
ca na vista elemento
: Elaborado
a na vista selemento
: Elaborado
o assunto
da espess
sta superio
de seção
aração ao
87 mostra
tos 2D a d
renças em
inferior das 3D.
o pelo auto
superior das 3D.
o pelo auto
o é defo
sura é co
r e uma v
na região
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a vista su
eformação
m relação
peça esta
or.
a peça esta
or.
rmação p
onstante.
vista inferio
o do EP0
espessura
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o plástica é
a vista us
ampada uti
ampada ut
110
plástica, a
Como os
or do cone
04 onde a
a. A Figura
cone final.
é maior no
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0
a
s
e
a
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.
o
a
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Fi
onde
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ante
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Fi
Para a F
essura par
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s inferiores
gura 88 –
Pela Figu
e é possív
ela não a
menta com
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essura.
gura 89 –
Figura 88
ra o SAE 1
o cone vai
s.
Deformaçã
ura 89, que
el visualiza
aumenta a
a profund
ma altura d
Deformaçã
tem-se s
1020, onde
sendo co
ão Plástica
Fonte:
e mostra a
ar com ma
ao longo d
didade de
de estamp
ão Plástica
Fonte:
distribuiçã
e a mesm
onformado
a distribuídSAE 10
: Elaborada
a deformaç
ais clareza
da espess
e estampag
pagem, se
a distribuídEP04
: Elaborada
ão de defo
a é menor
a deform
da ao longo020.
a pelo auto
ção plástic
a essa distr
ura como
gem apres
e assemel
da ao longo4.
a pelo auto
ormação p
r, mas já s
mação é m
o da espes
or.
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or.
plástica ao
se pode no
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ssura na re
o do EP04
e deformaç
om a tens
até um po
comporta
ssura na re
111
o longo da
otar que a
elementos
egião do
4, material
ção, vê-se
são, e sim
nto pouco
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egião do
a
a
s
l
e
m
o
a
utiliz
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solda
são
fora
se tr
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defo
anal
está
traje
de 0
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helic
com
6.5.2.
Para aná
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esentam o
a também
as deform
A Figura
da solda e
Em geral
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a variação
ormações s
isados. Pa
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0,55 e o m
as e próxim
or do que f
o de defor
coidal e
portament
COMPO
álises dos
elementos 3
o sentido
. Os ponto
ações prin
Figura 90
91 e Figu
e na região
l não há d
e deformaç
menor a
se asseme
ara o sent
de 0,5 e a
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áximo de
mas de 0.
fora dela, m
rmação do
incrementa
to semelha
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1: 1020->
os são mos
ncipais. A F
0 – Compo
Fonte:
ura 92 rep
o da solda
iferenças s
ção indepe
ainda do q
elham aque
tido 1, na
a máxima
increment
compressã
A deforma
mostrando
que dentr
al reversa
ante à traje
DE DEFOR
e deforma
ados na Fig
EP04. Fo
strados na
Figura 90 t
onentes da
: Elaborado
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retiradas n
significativ
endente da
que o SA
eles na reg
trajetória
compress
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ão de -0,6
ação P2 n
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a se enc
etória incre
RMAÇÃO
ação, assim
gura 43 e a
ram feitas
Figura 41
tem uma ilu
as deforma
o pelo auto
as deform
no SAE 10
vas por ele
a trajetória
AE1020. Fo
gião de uni
helicoidal
siva de -0,
a o valor m
6. As defor
a linha de
da linha se
s deformaç
ontram n
emental.
EM 3D
m como p
as posiçõe
medidas
. As deform
ustração d
ções princ
or.
mações prin
20 e EP04
emento ao
analisada
ora da so
ão, obede
a deforma
,5, enquan
máximo de
mações P
solda tem
e aproxima
ções princip
o APÊND
para a ten
es da Figu
em ponto
mações P1
essas defo
cipais
ncipais P1
4 respectiv
longo da
a. O EP04
olda, os v
ecendo aos
ação máxi
nto nas ou
e tração fic
P2 são sem
m um valor
a mais de u
pais para a
DICE E e
112
são foram
ra 42, que
os fora da
1, P2 e P3
ormações.
, P2 e P3
vamente.
espessura
apresenta
valores de
s materiais
ma trativa
utras duas
ca próximo
mpre muito
um pouco
um estado
a trajetória
e seguem
2
m
e
a
3
3
a
a
e
s
a
s
o
o
o
o
a
m
113
Figura 91 – Deformações principais P1, P2 e P3 nos elementos do SAE 1020 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
1020
Esq
. (%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
1020
Esq
. (%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04D
efor
maç
ão P
2 10
20 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
1020
Esq
. (%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
114
Figura 92 – Deformações principais P1, P2 e P3 nos elementos do EP04 fora da solda à esquerda, e na região da solda à direita na trajetória incremental.
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
EP
04 D
ir. (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
EP
04 D
ir. (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
EP
04 D
ir. (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
115
7. CONCLUSÕES
O objetivo geral deste trabalho foi fazer uma análise numérica do processo de
Estampagem Incremental em Tailored blanks, formados por Aço SAE 1020 com 1,0
mm de espessura e Aço EP04 com 0,8mm de espessura. Foram realizadas
simulações numéricas a fim de avaliar a distorção da linha de junção entre as
chapas, redução de espessura das chapas, forças de reação, tensões e estados de
tensão, e por fim deformações e estados de deformação.
A distorção da linha de solda foi menor para a trajetória incremental reversa, o
que indica uma vantagem desta trajetória perante as outras. Os tailored blanks
apenas com descontinuidade geométrica também sofreram menor distorção da linha
de solda, o que indica que não só a trajetória incremental reversa como também o
mesmo material na chapa inteira causam distorções menores. As trajetórias
incremental e helicoidal seguem comportamentos semelhantes para esse estudo.
A redução de espessura é semelhante nas três trajetórias helicoidal,
incremental e incremental reversa e chegou próxima de 50% para os dois materiais,
condizente com a literatura e a lei do seno. No modelo 2D a trajetória incremental
reversa obteve redução de espessura mais uniforme. Há pequenas diferenças entre
o modelo 2D e 3D utilizado, chegando a valores próximos de 10% na direção de
união entre os dois materiais analisados, levando-se em consideração o modelo de
elemento utilizado.
Na análise das forças de reação da esfera na chapa foi possível ver que as
forças não só estão ligadas ao material utilizado como também a espessura deles.
Não há diferenças significativas entre as trajetórias helicoidal, incremental e
incremental reversa em relação às forças, mas elas são menores na helicoidal. As
forças encontradas no modelo 2D são menores do que no modelo 3D.
A análise qualitativa da tensão de Von Misses mostrou que na região de
descontinuidade de material e geométrica há concentração de tensão mesmo
quando a esfera não está sobre ela. As tensões residuais e no momento do contato
são maiores no SAE 1020 do que no EP04. Quando os tailored blanks com apenas
descontinuidade geométrica foram analisados o comportamento foi semelhante ao
material em questão, e a espessura não teve muita influência. Os valores mais altos
de tensão são encontrados nos elementos mais superiores ou mais inferiores. As
116
fórmulas analíticas para cálculo de tensões meridional, circunferencial e ao longo da
espessura encontrados na literatura podem não ser uma boa alternativa devido às
condições de material consideras. As tensões fora da linha de solda são maiores do
que nela. Há tensões trativas circunferenciais com valores muito altos que podem
estar relacionadas a falhas nessa região. O modelo 2D é muito simplificado para
representação de um estado de tensão, que, a saber, não se aproxima de um
estado plano de tensão.
O estado de deformação se aproxima de um estado plano de deformação
melhor definido fora da região de união entre os dois materiais do que nela. As
deformações são maiores no EP04 do que no SAE 1020 e as trajetórias analisadas
não demonstram grandes diferenças, salvo que as deformações na trajetória
helicoidal são de 5 a 10% menores do que na incremental e incremental reversa.
117
8. TRABALHOS FUTUROS
Baseado no trabalho apresentado, foram feitos algumas sugestões para
trabalhos futuros, que podem ser vistas a seguir:
• Realizar ensaio experimental de estampagem incremental para validação dos
resultados numéricos obtidos
• Estudo e avaliação das propriedades mecânicas da linha de solda com o
objetivo de criar um modelo numérico para esta região.
• Estudo das possíveis soldas a serem utilizadas na junção de dois materiais
em tailored blank de forma a facilitar a estampagem incremental do mesmo.
• Estudo de um sistema para geração de trajetórias e caminhos sem uso de
código de manufatura para entrada em software de elementos finitos.
• Estudo de outras geometrias para simulação numérica de estampagem
incremental em tailored blanks.
• Análise da influência do atrito e lubrificação sobre a simulação numérica e
experimental de estampagem incremental em tailored blanks.
• Estudo de um critério de falha para simulação numérica de estampagem
incremental de tailored blanks.
118
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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123
10. APÊNDICES
APÊNDICE A – Gráficos de Espessura
Figura 93 – Espessura para as três direções na trajetória incremental em 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
Figura 94 – Espessura para as três direções na trajetória incremental reversa 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental
1020 e EP04 - 3DE
spes
sura
(m
m)
Posição
Dir 1 Dir 2 Dir 3
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental Reversa
1020 e EP04 - 3D
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
Dir 1 Dir 2 Dir 3
124
Figura 95 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória incremental em 2D e 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Trajetória IncrementalDireção 1 - 1020 e EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental
Direção 2 - 1020
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental
Direção 3 - EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
125
Figura 96 – Espessura para direção 1, 2 e 3 na trajetória incremental reversa 2D e 3D.
Fonte: elaborado pelo autor.
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
Trajetória Incremental ReversaDireção 1 - 1020 e EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental Reversa
Direção 2 - 1020
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
0 20 40 60 80 1000,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1Trajetória Incremental Reversa
Direção 3 - EP04
Esp
essu
ra (
mm
)
Posição
3D 2D
Figu
Figu
Figu
ura 97 – Te
ura 98 – Te
ura 99 – Te
A
ensão de V
ensão de V
ensão de V
APÊNDICE
Von Missesna vista
Von Missena vista
Von Missena vista
E B – Cont
s para o ina inferior p
es para o ma superior p
es para o ma inferior p
ornos de T
nício de copara 2D e 3
meio do conpara 2D e
meio do conpara 2D e 3
Tensão
ntato entre3D.
ntato entre3D.
ntato entre3D.
e a esfera e
e a esfera e
e a esfera e
126
e a chapa
e a chapa
e a chapa
6
127
APÊNDICE C – Componentes de Tensão
Figura 100 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do SAE 1020, na trajetória helicoidal sentido 1: 1020 -> EP04.
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
XX
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
YY
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
XY
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
102
0 (M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
128
Figura 101 – Tensões XX, YY, ZZ, XY, YZ e ZX nos elementos do EP04, na trajetória helicoidal sentido 1: 1020 -> EP04.
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04T
ensã
o X
X E
P04
(M
Pa)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
ZZ
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
YZ
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000Trajetória Helicoidal
1020 -> EP04
Ten
são
ZX
EP
04 (
MP
a)
Posição
E1 E2 E3 E4
129
APÊNDICE D – Componentes de Tensão 2D e 3D
Figura 102 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental, sentido 1 no SAE 1020.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
XX
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
YY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
XY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
130
Figura 103 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental, sentido 1 no EP04.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
XX
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
131
Figura 104 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental reversa, sentido 1 no SAE 1020.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
XX
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
YY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
XY
102
0 (M
Pa)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
132
Figura 105 – Tensão Superior e Inferior 2D e 3D para a trajetória incremental reversa, sentido 1 no EP04.
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
XX
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
YY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
A B C D E
-750
-500
-250
0
250
500
750
1000
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Ten
são
XY
EP
04 (
MP
a)
Posição
S-2D S-3D I -2D I -3D
133
APÊNDICE E – Componentes de Deformação
Figura 106 – Deformações P1, P2 e P3 nos elementos do SAE1020 e EP04, na trajetória helicoidal sentido 1: 1020 ->. EP04.
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Helicoidal1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
134
Figura 107 – Deformações P1, P2 e P3 nos elementos do SAE1020 e EP04, na trajetória incremental reversa sentido 1: 1020 ->. EP04.
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Def
orm
ação
P1
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Def
orm
ação
P2
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04D
efor
maç
ão P
2 E
P04
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
1020
(%
)
Posição
E1 E2 E3 E4 E5
A B C D E
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Trajetória Incremental Reversa1020 -> EP04
Def
orm
ação
P3
EP
04 (
%)
Posição
E1 E2 E3 E4