ABSTRACT
Aquest treball explora els beneficis i desafiaments dels mètodes d’elements finits (FEM) avançats aplicats a la conformació de metalls i processos de fabricació. A mesura que aquests processos esdevenen més complexos, el FEM ha emergit com una eina crucial. Permet predir magnituds físiques, ajudant els enginyers en la presa de decisions i millorant l’eficiència de les cadenes de desenvolupament i producció.
La conformació de metalls sovint implica un comportament (gairebé) isocòric a causa de les deformacions plàstiques, la qual cosa pot provocar que el mètode d’elements finits estàndard es torni inestable. Per abordar aquest comportament isocòric i assegurar la convergència local de les deformacions i tensions, aquest estudi utilitza formulacions mixtes d’elements finits, incloent les formulacions desplaçament-pressió (u/p), desplaçament-deformació (u/ε) i desplaçament-pressió-deformació desviatòria (u/p/e). Per mitigar l’elevat cost computacional de les formulacions u/ε i u/p/e, es desenvolupa la tècnica de Refinament Adaptatiu de Formulació (AFR). Aquesta tècnica activa selectivament les formulacions millorades basant-se en criteris físics o en l’estimació d’errors. L’exactitud i la taxa de convergència del mètode s’estudien i es comparen favorablement amb solucions de referència. El mètode s’aplica amb èxit a l’anàlisi de fallades estructurals quasi-fràgils.
Aquest treball també aborda l’aplicació pràctica de mètodes numèrics avançats a problemes complexos de fabricació, en particular la soldadura per fregament (Friction Stir Welding, FSW), que és una tècnica de soldadura en estat sòlid. La FSW es caracteritza per deformacions isocòriques, taxes de deformació extremadament elevades i un comportament del material altament no lineal i dependent de la temperatura. S’empra un mètode d’elements finits incrustat per simplificar el modelatge de geometries complexes i condicions de frontera mòbils. Aquest mètode utilitza un marc purament eulerià i una funció nivell discret per al modelatge de l’eina, i treballa directament amb geometries CAD de l’eina. Els resultats de la simulació concorden bé amb les dades experimentals. Es realitza un estudi paramètric dels paràmetres de procés per avaluar el seu impacte sobre les forces de soldadura i l’evolució de la temperatura, demostrant la utilitat de l’eina en el suport als processos de desenvolupament.
Per millorar la usabilitat, es desenvolupa una interfície gràfica d’usuari (GUI) per a la creació de fitxers d’entrada de simulació i la gestió de les simulacions. A més, s’implementa un algorisme de traçat de partícules per visualitzar el flux de material. Aquest treball pretén reduir la bretxa entre la recerca acadèmica i les aplicacions d’enginyeria pràctica. Proporciona eines numèriques avançades, però robustes i eficients, per simular processos de conformació de metalls i fabricació.
PhD AdvisorsDirectors de tesi
- Prof. Michele Chiumenti
- Prof. Joan Baiges Aznar
- Prof. Daniel Juhre
DOCTORAND
Mr. Henning Venghaus és un investigador del clúster de recerca en Simulació de sòlids i fluids per a processos industrials del CIMNE.