Process simulation of stub shaft forging with local heating and cooling - an analysis with EFG

• Autorzy: Bröcker C. , Steinhoff A. , Matzenmiller A.

Warianty tytułu

PL

Porównanie modeli zniszczenia dla przewidywania plastycznego pękania w procesach kucia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Within the Collaborative Research Centre SFB/TRR 30 a stub shaft is produced by applying the highly innovative metal forming technology of the simultaneous hot and cold forging in combination with a hardening process performed directly in the closed forging dies after the forging step. This complex forging process is completely simulated with the finite element code LS-DYNA including the local inductive heating phase of the workpiece as well as the rapid cooling process under pressure of the final stub shaft inside the forging dies. A new meshless element formulation denoted as element-free Galerkin method (EFG) is successfully applied to the forging process in addition to the simulation with standard finite elements. The process of the inductive heating is modelled in a simplified way. The simulation results are validated by means of experimentally measured data, showing good agreement.

PL

Możliwość przewidywania plastycznego pękania odgrywa ważną rolę w projektowaniu wyrobów kutych. Badania doświadczalne pokazują, że zarodkowanie, wzrost i łączenie się pustek są mechanizmami kontrolującymi powstawanie i rozprzestrzenianie się pęknięć. Na te mechanizmy oddziałują, w różnym stopniu, takie parametry jak ciśnienie hydrostatyczne, intensywność naprężenia i maksymalne naprężenie główne. Znanych i używanych w praktyce jest wiele kryteriów pękania plastycznego opartych na tych parametrach. W niniejszej pracy te kryteria są porównywane. Spośród najbardziej popularnych wybrano kryteria pękania przynależne do różnych grup, klasyfikowane według podstaw danego kryterium, a więc kryteria oparte na mikrostrukturze materiału, kształcie pustek lub mechanizmie ich wzrostu. Kryteria oparte na mechanizmie kontinuum pękania, w których bierze się pod uwagę sprzężenie między odkształceniem plastycznym i degradacją materiału poprzez analizę różnych możliwości rozwoju zniszczenia dla rozciągającego i ściskającego stanu naprężenia, dają bardziej poprawną lokalizację obszarów, w których następuje inicjacja pęknięcia.

Słowa kluczowe

EN

simultaneous hot/cold forging; thermo-mechanically coupled FEM; meshless methods; element-free Galerkin method (EFG)

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 8, No. 3
• Strony: 144--153
• Opis fizyczny: Bibligr. 27 poz., rys.

Twórcy

autor

Bröcker C.

autor

Steinhoff A.

autor

Matzenmiller A.

• Institute of Mechanics, Department of Mechanical Engineering, University of Kassel, Moenchebergstr. 7, 34125 Kassel, Germany,

Bibliografia

• Alfaro, L, Gonzalez, D., Bel, D., Cueto, E., Doblare, M., Chi-nesta, F., 2006, Recent advances in the meshless simulation of aluminium extrusion and other related forming processes, Arch. Comput. Meth. Eng., 13 (1), 3-43.
• Beissel, S., Belytschko, T., 1996, Nodal integration of the element-free Galerkin method, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 139,49-74.
• Belytschko, T., Krongauz, Y., Organ, D., Fleming, M., Krysi, P., 1996, Meshless methods: An overview and recent developments, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 139, 3-47.
• Belytschko, T., Lu, Y.Y., Gu, L., 1994, Element-free Galerkin methods, Int. J. Numer. Meth. Eng., 37, 229-256.
• Brokmeier, K.-H., 1966, Induktives Schmelzen, W. Girardet, Essen (in German).
• EFD Harterei F. Dusseldorf GmbH, 2006, Grundlagen der Induktionshärtetechnik, Härtereihandbuch, date of version: 07.04.2006, www.efd-haerterei.de/pdf/HH-R01-D06-Induktionstechnik.pdf (in German).
• Fleck, C., Schonbohm, A., 2004, Entwurf einer flachheits-basierten Vorsteuerunung für die induktive Erwarmung beim Thixoforming, Automatisierungstechnik,  52  (9), 403-410 (in German).
• Gottstein, G., 1998, Physikalische Grundlagen der Materi-alkunde, Springer, Berlin (in German).
• Guo, Y., Wu, C.T., Xu, J., Lu, H., 2008, Element Free Galerkin EFG - Meshless Methods in LS-DYNA: Current, Future and Industrial Applications, ANSYS Conference & 26th CADFEM Users' Meeting, eds, CADFEM GmbH, October 22 - 24, 2008, Darmstadt/Germany.
• Hallquist, J.O., 2006, LS-DYNA Theory Manuel, Livermore Software Technology Corporation.
• Hallquist, J.O., 2007, LS-DYNA Keyword User's Manuel, Livermore Software Technology Corporation.
• Huerta, A., Belytschko, T., Fernandez-Mendez, S., Rabczuk, T., 2004, Meshfree Methods, Encyclopedia of Computational Mechanics, eds, Stein, E., de Borst, R., Hughes, T.J.R., John Wiley & Sons, Ltd, 1-49.
• Hünicke, U.-D., Möller, S., 2003, Auswertung der statischen Magnetisierungskurve zur Kontrolle von Gefuge- und Behandlungszustanden bei Stahlen, Proceedings of DGZfP-Annual Conference Meeting, eds, DGZfP, Mainz (in German).
• Krongauz, Y., Belytschko, T., 1996, Enforcement of essential boundary conditions in meshless approximations using finite elements, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 131, 133-145.
• Lu, H.S., Wu, C.T., 2006, A Grid-based Adaptive Scheme for the Three-Dimensional Forging and Extrusion Problems with the EFG Method, 9th Int. LS-DYNA Users Conference, eds, LSTC, Dearborn, Michigan, USA, 17/33-17/44.
• Meyer-Nolkemper, H., 1978, Fliefikurven metallischer Werkstoffe, HFF-Report No. 4, Hannoversches For-schungsinstitut für Fertigungsfragen e. V., (in German).
• Okman, O., Özmen, M., Huwiler, H., Tekkaya, A. E., 2007, Free forming of locally heated specimens, Int. J. Mach. Tool. Manufact., 47, 1197-2005.
• Özmen, M., Okman, O., Huwiler, H., Tekkaya, A. E., 2005, Forming of Complicated Shapes by Local Heating, 8th ICTP, eds, Bariani, P. F., October 9-13, 2005, Verona/Italy, 1-8.
• Ponthot, J.-P., Belytschko, T., 1998, Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation for element-free Galerkin method, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 152, 19-46.
• Richter, F., 1983, Physikalische Eigenschaften von Stahlen und ihre Temperaturabhdngigkeit, Stahleisen-Sonderbericht, Heft 10, Publisher Stahleisen m. b. H., Dusseldorf, (in German).
• Rossi, R., Alves, M.K., Al-Qureshi, H.A., 2007, A model for the simulation of powder compaction processes, J. Mater. Process. Tech., 182,286-296.
• Shangwu, X., Rodrigues, J.M.C., Martins, P.A.F., 2005, Simulation of plane strain rolling through a combined element free Galerkin-boundary element approach, J. Mater. Process. Tech., 159,214-223.
• Weidig, U., Kayatürk, K., Kurt, A., Steinhoff, K., Tekkaya, A. E., 2000, Combination of Cold and Hot Forging in a Single Forming Step: Production Technique, Workpiece Geometries, Material Characteristics, Proceedings of the 14th International Forgemasters Meeting, Wiesbaden/Germany, September 3-8, Publisher Stahleisen m. b. H., Düsseldorf, 199-206.
• Weidig, U., Steinhoff, K., Tekkaya, A. E., 2001, Simultaneous cold and hot forging in a single step, Wire, 51 (2),
• Weidig, U., Hubner, K., Steinhoff, K., 2008, Bulk steel products with functionally graded properties produced by differential thermo-mechanical processing, Steel Res. Int., 79 (1), 59-65.
• Yanjin, G., Xin, W., Zhao, G., Ping, L., 2008, A nonlinear numerical analysis for metal-forming process using the rigid-(visco)plastic element-free Galerkin method, Int. J. Adv. Manuf. Tech., DOI 10.1007/s00170-008-1585-3, available from: http://www.springerlink.com/content/ c6453224m4270411/ (last accessed: 15.12.2008).
• Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., 2000, The Finite Element Method, Volume 1: The Basis, Fifth edition, Butter-worth-Heinemann, Oxford.