RESUMEN

Este trabajo explora los beneficios y desafíos de los métodos de elementos finitos (FEM) avanzados aplicados al conformado de metales y procesos de fabricación. A medida que estos procesos se vuelven cada vez más complejos, el FEM ha emergido como una herramienta crucial. Ayuda a predecir magnitudes físicas, lo que asiste a los ingenieros en la toma de decisiones y mejora la eficiencia de las cadenas de desarrollo y producción.El conformado de metales a menudo implica un comportamiento (casi) isocórico debido a las deformaciones plásticas, lo que puede provocar inestabilidad en el método de elementos finitos estándar.

Para abordar este comportamiento isocórico y garantizar la convergencia local de las deformaciones y tensiones, este estudio utiliza formulaciones mixtas de elementos finitos, incluyendo las formulaciones desplazamiento-presión (u/p), desplazamiento-deformación (u/ε) y desplazamiento-presión-deformación desviadora (u/p/e). Para mitigar el alto coste computacional de las formulaciones u/ε y u/p/e, se desarrolla la técnica de Refinamiento Adaptativo de Formulación (AFR). Esta técnica activa selectivamente las formulaciones mejoradas basándose en criterios físicos o estimaciones de error. Se estudia la precisión y la tasa de convergencia del método, y se comparan favorablemente con soluciones de referencia. El método se aplica con éxito al análisis de fallo estructural cuasi-frágil.

Este trabajo también aborda la aplicación práctica de métodos numéricos avanzados a problemas complejos de fabricación, en particular la Soldadura por Fricción (Friction Stir Welding, FSW), que es una técnica de soldadura en estado sólido. La FSW se caracteriza por deformaciones isocóricas, tasas de deformación extremadamente altas y un comportamiento del material altamente no lineal y dependiente de la temperatura.Se emplea un Método de Elementos Finitos Incrustado para simplificar el modelado de geometrías complejas y condiciones de contorno móviles. Este método utiliza un marco puramente euleriano y una función de nivel discreta para el modelado de la herramienta, y trabaja directamente con geometrías CAD de herramientas. Los resultados de simulación concuerdan bien con los datos experimentales. Se realiza un estudio paramétrico de los parámetros del proceso para evaluar su impacto en las fuerzas de soldadura y la evolución de la temperatura, demostrando la utilidad de la herramienta en el apoyo a los procesos de desarrollo.

Para mejorar la usabilidad, se desarrolla una Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) para la creación de archivos de entrada de simulación y la gestión de simulaciones. Además, se implementa un algoritmo de trazado de partículas para visualizar el flujo del material. Este trabajo pretende cerrar la brecha entre la investigación académica y las aplicaciones prácticas de la ingeniería. Proporciona herramientas numéricas avanzadas, pero robustas y eficientes, para la simulación de procesos de conformado de metales y fabricación.

Directores de tesis

• Prof. Michele Chiumenti
• Prof. Joan Baiges Aznar
• Prof. Daniel Juhre

DOCTORANDO

Mr. Henning Venghaus es un investigador del clúster de investigación enSimulación de sólidos y fluidos para procesos industriales del CIMNE.