This work presents a numerical simulation of aviation structure joined by friction stir welding, FSW, process. The numerical simulation of aviation structure joined by FSW was created. The simulation uses thermomechanical coupled formulation. The model required creation of finite elements representing sheets, stiffeners and welds, definition of material models and boundary conditions. The thermal model took into account heat conduction and convection assigned to appropriate elements of the structure. Time functions were applied to the description of a heat source movement. The numerical model included the stage of welding and the stage of releasing clamps. The output of the simulation are residual stresses and deformations occurring in the panel. Parameters of the global model (the panel model) were selected based on the local model (the single joint model), the experimental verification of the local model using the single joint and the geometry of the panel joints.
Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem (ang. friction stir welding) jest opatentowaną w latach 90. XX w. metodą łączenia blach, która umożliwia zgrzewanie elementów o różnych właściwościach i grubościach. Proces zgrzewania tarciowego z mieszaniem może być stosowany do zgrzewania materiałów, których łączenie klasycznymi metodami spawalniczymi jest trudne lub niemożliwe. Z powodzeniem zgrzewane są trudnospawalne lotnicze stopy aluminium z serii 2xxx i 7xxx. Przedmiotem analiz w niniejszym artykule jest określenie wpływu parametrów procesu liniowego zgrzewania z mieszeniem na jakość złączy wykonanych z blach aluminiowych. Badaniami objęto blachy z aluminium 7075 T6. Łączono blachy o grubościach 1,6 i 0,8 mm. Analizowano wpływ prędkości obrotowej, prędkości liniowej oraz sposobu mocowania próbek podczas statycznej próby rozciągania na nośność złączy. Przedstawiono makrostrukturę złączy, omówiono rodzaje wad i ich wpływ na nośność złączy.
EN
Friction Stir Welding (FSW) is a process invented in the 1990s that enables welding of the materials with different properties and thicknesses. Friction stir welding can be used for the materials that are poorly weldable or non-weldable by conventional fusion welding methods. Poorly weldable aluminum alloys of 2xxx and 7xxx series are easily joined by FSW technology. Determination of the influence of the FSW parameters on the quality of aluminum joints is the object of the work. The study includes 7075 T6 aluminum sheets. The sheets with thickness of 1.6 and 0.8 mm were joined. The influence of rotational speed, linear velocity and loading type during tensile tests on joint load capacity was analyzed. The macrostructure of the joints was presented. The typical defects and their impact on joint load capacity was described.
The growing demand for light and durable products has caused an increase in interest in products formed of thin sheets. In order to ensure sufficient stiffness of the drawn - parts, stiffening is often performed. Unfortunately, during the forming of stiffeners unwanted deformations of the drawn parts very often appear, which prevent them from further exploitation. In the paper, forming thin titanium panels with stiffeners is analysed. The panels are made of sheets of commercially pure titanium: Grades 2, 3 and 4. In the results of numerical analyses which were performed using PamStamp 2G, taking into consideration the impact of the blank holder force and friction conditions on the strain distribution in the drawn parts, sheet thinning and springback values are presented. The numerical analysis results were compared with the experimental tests. It was concluded that in order to prevent panel deformation being a result of residual stresses, it is necessary to ensure adequate friction conditions on the contact surfaces between the deformed material and tools as well as a suitable blank holder force.
W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości wytrzymałościowych dla stopu aluminium AA 6061 wraz z symulacją numeryczną cienkiej struktury użebrowanej. Wyznaczono doświadczalnie podstawowe parametry wytrzymałościowe (E, Rm, Rp02, Agt), stałą materiałową K, wykładnik umocnienia n oraz krzywą odkształcalności granicznej. Wyznaczone właściwości zostały użyte do budowy modelu materiałowego w symulacjach numerycznych. Analizowano proces tłoczenia cienkiej struktury z dwoma żebrami, uwzględniając różne parametry technologiczne. Wyznaczono rozkłady odkształceń plastycznych na powierzchni struktury oraz grubości ścianek. Rozważano wpływ współ- czynnika tarcia oraz zastosowanej siły docisku na rezultaty tłoczenia.
EN
In the paper the strength test results for AA 6061 are presented together with numerical simulation of thin sheet panels with stiffening ribs. The basic strength parameters (E, Rm, Rp02, Agt), material constant K, strain-hardening coefficient n and forming limit curve were determined experimentally. The determined properties were used for definition of material model in numerical simulations. Forming process of thin sheet panels with two ribs taking into account different technological parameters was analysed. The plastic strain and thickness distributions were determined. The influence of friction condition and holding force on the forming process was investigated.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Commercially pure titanium Grade 2 has good drawability and tensile strength of about 340 MPa. It is the most widespread grade of titanium in the industry. Grade 2 is characterized by good strength properties, low density, corrosion and external factors resistance. It is widely used in chemical, automotive and aerospace industries. In the aerospace industry titanium Grade 2 is used for production of fuselages, stringers, ventilating ducts, and many other parts. The subject of the work is the forming limit curve (FLC) widely used in industry to determine the possibility of the occurrence of draw-parts defects. FLC is determined based on the relationship between minor and major strains. It is a representation of the limit strains in the plane of the sheets, which in order to avoid cracks, cannot be exceeded during sheet - metal forming. In the study forming limit curve was determined experimentally and the results were compared with the principal strain calculated in numerical simulations. Numerical simulations of the sheet - metal forming process were prepared in the PamStamp 2G v2012 program, using the finite element method. Forming simulation was carried out for specially designed samples with different lateral cut. The results of experimental studies at a depth corresponding to crack onset were compared with numerical calculations. Distributions of principal strain were determined for all specimens. The minor and major principal strains occurring in the forming samples before rupture onset were analyzed. Based on the results of numerical investigations forming limit curve for the titanium Grade 2 was determined. In experimental studies, in order to determine the plastic deformation ARAMIS system was used that enables non-contact measurements of three-dimensional deformations. The PamStamp 2G program and ARAMIS data acquisition process allowed for analysis of deformation and determination of the values of minor and major principal strains immediately before rupture. The numerical simulations considered technically dry friction and lubrication. This approach allowed for determining the effect of lubrication on strain distributions.
PL
Technicznie czysty tytan Grade 2 charakteryzuje się dobrą tłocznością i granicą wytrzymałością ok. 340 MPa. Jest najbardziej rozpowszechnionym gatunkiem tytanu w przemyśle. Grade 2 cechuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, małą gęstością, odpornością na korozję i czynniki zewnętrzne. Powszechnie wykorzystywany jest w przemysłach chemicznym, motoryzacyjnym i lotniczym. W przemyśle lotniczym z tytanu Grade 2 wykonuje się między innymi elementy kadłubów, wsporniki, kanały wentylacyjne. Przedmiotem pracy jest wyznaczenie krzywej odkształceń granicznych (KOG), stosowanej powszechnie w przemyśle do określania możliwości wystąpienia wad wytłoczek. KOG wyznacza się w oparciu o zależność pomiędzy odkształceniami głównymi najmniejszymi i największymi. Jest to reprezentacja odkształceń głównych w płaszczyźnie blach, które aby uniknąć pęknięć wytłoczki nic mogą być przekroczone w trakcie kształtowania. W pracy wyznaczano krzywą odkształceń granicznych stosując badania doświadczalne a wyniki odkształceń głównych odniesiono do symulacji numerycznych. Symulacje numeryczne procesu tłoczenia przygotowano w programie PamStamp 2G v20l2, wykorzystującego metodę elementów skończonych. Symulację tłoczenia przeprowadzono dla specjalnie zaprojektowanych próbek o różnych wycięciach. Wyniki tłoczenia z badań doświadczalnych przy głębokości tłoczenia dla której uzyskano pękniecie porównano z obliczeniami numerycznymi. Dla wszystkich próbek wyznaczano rozkłady odkształceń głównych. Analizowano odkształcenia główne największe i najmniejsze występujące w tłoczonych próbkach przed pęknięciem. W oparciu o rezultaty badań numerycznych wyznaczono krzywą odkształceń granicznych dla tytanu Grade 2. W badaniach doświadczalnych do określenia odkształceń plastycznych zastosowano system ARAMIS, umożliwiający bezkontaktowy trójwymiarowy pomiar odkształceń. Program PamStamp 2G oraz rejestracja procesu w systemie ARAMIS pozwoliły na analizę deformacji i wyznaczenie wielkości odkształceń głównych bezpośrednio przed pęknięciem. W symulacjach numerycznych rozważano tarcie technicznie suche oraz smarowanie. Dzięki temu było również możliwe określenie wpływu smarowania na rozkłady odkształceń.
Despite substantial demand for drawn parts made of high-strength sheet metal (including titanium alloys) observed in the modern industry, particularly automotive and aviation, their application remains insignificant. This results from the fact that such sheet metal shows poor plasticity and its cold-forming is almost impossible. Low drawability makes it impossible to obtain even such simple shapes as spherical cups. The authors of this study developed circular sheet-metal blanks with cutouts on their perimeter. The blanks allow for cold forming of spherical cups from Ti6Al4V titanium alloy sheet metal using conventional rigid tools. The cutouts proposed in the study affect plastic strain distribution, which in turn leads to an increase in forming depth by about 30%. The numerical analysis, performed using the PamStamp 2G System software based on finite element method, was verified experimentally.
PL
Mimo, iż nowoczesny przemysł, głównie motoryzacyjny i lotniczy, zgłasza zapotrzebowanie na wytłoczki z wysokowytrzymałych blach metalowych, w tym stopów tytanu, ich zastosowanie jest znikome. Wynika to z faktu, że blachy te mają małą plastyczność i ich tłoczenie na zimno jest niemal niemożliwe. Niska tłoczność uniemożliwia kształtowanie nawet tak prostych geometrii jak czasze kuliste. W ramach niniejszej pracy opracowano kołowy wykrój z wycięciami na obwodzie, który umożliwia kształtowanie na zimno kulistych czasz z blachy ze stopu tytanu Ti6Al4V przy użyciu klasycznych, sztywnych narzędzi. Zaproponowane wycięcia wpływają na zmianę rozkładu odkształceń plastycznych, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia głębokości tłoczenia o około 30%. Analizy numeryczne, wykonane programem PamStamp 2G bazującym na metodzie elementów skończonych, zweryfikowano doświadczalnie.
W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznych oraz badań doświadczalnych procesu tłoczenia spawanych blach tytanowych. Badaniom poddano blachy z czystego tytanu technicznego Grade 2 oraz stopu tytanu Grade 5 (Ti6Al4V), znajdującym coraz częstsze zastosowanie w przemyśle lotniczym i medycynie. Analizowano proces tłoczenia czaszy kulistej wykonanej z jednorodnego materiału Grade 2 i Grade 5 oraz wsadu spawanego metodą elektronową, składającego się z krążka wykonanego z Grade 5 i pierścienia wykonanego z Grade 2. Badano wpływ zróżnicowania wymiarów poszczególnych elementów wsadu spawanego na proces kształtowania. Symulację numeryczną wykonano przy użyciu programu Pam- Stamp 2G v2012, opartego na Metodzie Elementów Skończonych (MES). Analizowano rozkład odkształceń plastycznych oraz pocienienia ścianek wytłoczki. Zaprezentowano wykresy odkształceń granicznych dla kształtowanych blach. W oparciu o wyniki obliczeń numerycznych dokonano oceny tłoczności blach. Wyniki symulacji numerycznych porównano z wynikami eksperymentalnymi.
EN
In the paper numerical and experimental results of sheet-metal forming titanium welded blanks have been presented. Commercially pure Grade 2 titanium and Grade 5 titanium alloy -Ti6Al4V (the most often used in aircraft industry and medicine) were analysed. Forming the spherical drawn-parts made of the uniform Grade 2 and Grade 5 blanks as well as the electron beam welded (EBW) blanks, which consist of the disc made of Grade 5 and the ring made of Grade 2, has been analysed. An influence of dimension differentiation of the disc and ring on the forming process was tested. The numerical simulations were performed using the PamStamp 2G v2012 program based on the finite element method (FEM). Plastic strain distribution and drawn-part wall thickness were analysed. Forming limit diagrams (FLDs) for the analysed sheets have been presented. Drawability of the sheets was assessed based on the numerical calculations. The numerical simulation results were compared to the experimental ones.
W pracy zostały przedstawione rezultaty badań nad zjawiskiem sprężynowania powrotnego, występującym w procesach U- i V-gięcia. Sprężynowanie powrotne jest zdefiniowane jako geometryczna zmiana kształtu części po odciążeniu. W procesach gięcia po formowaniu materiał próbuje powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Zjawisko sprężynowania uwarunkowane jest występowaniem odkształceń sprężystych w materiale. Sprężynowanie jest jednym z podstawowym czynników wpływających na jakość i dokładność tłoczonych części. Prawidłowe określenie sprężynowania wymaga uwzględnienia czynników, które mogą wpływać na wielkość omawianego zjawiska. Badania doświadczalne przeprowadzono dla próbek wykonanych z dwóch gatunków czystego tytanu technicznego Grade 2 i Grade 4 oraz stopu Grade 5 (Ti-6Al-4V). Dla narzędzia rzeczywistego wykonano odpowiadający mu model numeryczny, który posłużył do symulacji w programie PAMSTAMP 2G v2012. Otrzymane wyniki badań doświadczalnych porównano z wartościami uzyskanymi z obliczeń numerycznych. Na podstawie eksperymentów i symulacji numerycznych określono wpływ właściwości mechanicznych badanych materiałów oraz wybranych parametrów procesu na wielkość zjawiska sprężynowania. W pracy analizowano również wpływ metod obliczeń numerycznych na zmianę kształtu części po odciążeniu.
EN
In the paper results of studies about phenomena of springback occurring U- and V-bending process are presented. Springback is defined as geometrical change of a part after forming process is finished, when the forces from forming tools are removed. For bending processes after forming the part attempts to return to its original shape and this phenomena is caused by elastic strains occurring in the forming material. Springback is one of the fundamental factors influencing the quality and accuracy of the stamped components. Correct determination of springback requires taking into account all factors that influence it. The experimental studies were performed for specimens made of commercially pure titanium Grade 2, Grade 4, and titanium alloy Grade 5 (Ti-6Al-4V). Based on real tool the corresponding numerical model was made using program PAMSTAMP 2G v2012. The actual results were compared with values obtained from the numerical calculations. Based on experiments and numerical simulations the impact of material properties of titanium specimens on springback was determined. In the paper a significance of select the type of process solutions on change of the parts shape was investigate.
9
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In the paper some numerical simulation results of sheet-titanium forming of tailor-welded blanks (TWB) are presented. Forming the spherical caps from the uniform and welded blanks are analysed. Grade 2 and Grade 5 (Ti6Al4V) titanium sheets with thickness of 0.8 mm are examined. A three-dimensional model of the forming process and numerical simulation are performed using the ADINA System v.8.6, based on the finite element method (FEM). An analysis of the mechanical properties and geometrical parameters of the weld and its adjacent zones are based on the experimental studies. Drawability and possibilities of plastic deformation are assessed based on the comparative analysis of the determined plastic strain distributions in the drawpiece material and thickness changes of the cup wall. The preliminary experimental studies confirm correctness of the assumptions in the presented numerical forming process. The results obtained in the numerical simulations show some difficulties occurring in forming of welded blanks and provide important information about the process course. They might be useful in design and optimization of the forming process.
PL
W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznych procesu tłoczenia spawanych blach tytanowych typu TWB (Tailor-Welded Blanks). Przeprowadzono analizę kształtowania czaszy kulistej z wsadu spawanego oraz materiałów jednorodnych. Badano blachy tytanowe Grade2 i Grade 5 o grubości 0.8 mm. Przestrzenny model procesu tłoczenia oraz obliczenia numeryczne wykonano przy użyciu programu ADINA v. 8.6, bazującego na metodzie elementów skończonych (MES). Oceny właściwości mechanicznych i parametrów geometrycznych spoiny oraz obszarów jej przyległych dokonano na podstawie badań doświadczalnych. Dokonano oceny tłoczności oraz możliwości kształtowania plastycznego badanych materiałów poprzez analizę porównawczą wyznaczonych rozkładów odkształceń plastycznych w materiale wytłoczek oraz zmiany grubości ścianek wytłoczek. Prowadzone równolegle wstępne badania doświadczalne potwierdziły słuszność przyjętych założeń w zaprezentowanym modelu numerycznym procesu tłoczenia. Uzyskane na drodze symulacji wyniki wskazują na trudności występujące podczas kształtowania blach spawanych oraz dostarczają istotnych informacji o przebiegu procesu, przez co mogą być przydatne na etapie projektowania i optymalizacji procesów tłoczenia.
In the paper experimental and numerical results of sheet-metal forming of titanium welded blanks are presented. Commercially pure titanium Grade 2 (Gr 2) and Ti6Al4V titanium alloy (Gr 5) are tested. Forming the spherical cups from the welded Gr 2 || Gr 5 blanks, and uniform Gr 2 and Gr 5 blanks is analysed. Numerical simulations were performed using the PamStamp 2G v2012 program based on the finite element method (FEM). Additionally, drawability tests using the tool consisting of die, hemispherical punch and blank-holder were carried out. Thickness changes and plastic strain distributions in the deformed material are analysed. The obtained results show some difficulties occurring during forming of the welded blanks made of titanium sheets at the same thicknesses but at different grades. It provide important information about the process course and might be useful in design and optimization of the sheet-titanium forming process.
PL
W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych oraz symulacji numerycznych procesu tłoczenia spawanych wsadów typu Tailor-Welded Blanks wykonanych z blach tytanowych. Przeprowadzono analizę procesu kształtowania czaszy kulistej z wsadu spawanego oraz z materiałów jednorodnych: Grade 2 i Grade 5. Obliczenia numeryczne przeprowadzono przy użyciu programu PamStamp. Dodatkowo przeprowadzono próby tłoczności (próby wybrzuszania stemplem sferycznym) przy zastosowaniu specjalnie przygotowanego narzędzia składającego się z matrycy, półkulistego stempla oraz pierścienia dociskowego. Dokonano oceny rozkładów odkształceń plastycznych w materiale wytłoczek oraz zmian grubości scianek wytłoczek. Uzyskane wyniki wskazują na trudności występujące podczas kształtowania tytanowych blach spawanych oraz dostarczają informacji o przebiegu tego typu procesu. Tym samym uzyskane wyniki mogą być przydatne na etapie projektowania i optymalizacji procesów tłoczenia.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.