Autor(es):
Silva, Raquel Cristina Soares de Carvalho e 
Data: 2012
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/11202
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia mecânica; Conformação - Chapas metálicas; Problemas inversos (Equações diferenciais); Método do elemento finito; Simulação numérica; Optimização
Descrição
Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse
crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa,
incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre
principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado,
não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação
é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados
tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos
Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas
Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma
análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como
geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis
de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser
considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes
problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e
analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à
determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em
modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição
geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a
forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção
de uma determinada geometria após um processo de conformação.
São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais
conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo
destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e
melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são
baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos,
algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação
destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata,
paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias
híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas.
São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da
função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos
considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com
elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma
quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de
deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo
constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração.
Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a
definição geométrica de chapas e ferramentas.
Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a
definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento
de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um
estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo
de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação
de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja
geometria será alterada durante o processo de conformação plástica.
No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de
forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro
perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No
primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da
ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar
a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição
da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações.
As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente
problemas de otimização para a indústria de conformação metálica. The interest of the stamping industry in the numerical simulation of sheet metal
forming, including inverse engineering approaches, is increasing. This fact
occurs mainly because trial and error design procedures, commonly used in the
past, are no longer economically competitive. The use of simulation codes is
currently a common practice in the industrial forming environment, as the
results typically obtained by means of the Finite Element Method (FEM) are
well accepted by both the industrial and scientific communities.
In order to obtain accurate stress and strain fields, an effective FEM analysis
requires reliable input data such as geometry, mesh, non-linear material
behaviour laws, loading cases, friction laws, etc.. In order to overcome these
difficulties, a possible approach is based on inverse problems. In this work, the
following inverse problems in computational Mechanics are presented and
analysed: (i) parameter identification problem, that refer to the definition of input
parameters to be used in constitutive models for numerical simulations, based
on experimental data, and (ii) initial blank and tool design problem, where the
aim would be to estimate the initial shape of a blank or a tool in order to
achieve the desired geometry after the forming process.
New optimization strategies in parameter identification problems that lead more
efficiently to accurate material parameters are introduced and implemented.
The aim of these strategies is to take advantage of the strength of each
selected algorithm and improve the overall robustness and efficiency of
classical optimization methodologies based on single stages. Deterministic
algorithms, evolutionary-inspired algorithms or even the combination of these
two algorithms are used in the proposed strategies. Strategies such as
cascade, parallel and hybrid approaches are analysed in detail. In hybrid
strategies, cascade and parallel approaches are integrated.
Two different approaches are presented and analyzed for the evaluation of the
objective functions in parameter identification processes. The approaches
considered are single-point and FE analyses. The single infinitesimal point
evaluation seems to characterize an infinitesimal amount of material subjected
to all kind of deformation history. On the other hand, in all FE analysis codes,
the constitutive model is implemented and accounted for in each element
integration point.
Inverse problems, such as blank and tool design, are presented and described.
In the case of the initial blank optimization process the design of a carter is
presented. Also related to the initial blank optimization process, a study of the
influence of the initial geometry definition in the optimization process is
conducted. This study is performed considering the NURBS formulation to
model the blank upper surface that will be changed during the optimization
process.
In the case of the tool design problem, a two-stage forging process is
presented. In order to achieve a straight cylinder after forging, two different
approaches are analyzed. In the first one, the initial geometry of the cylinder is
optimized and, in the other one, the shape of the first stage tool is optimized.
To parameterize the free surface of the cylinder different methods are
presented. Furthermore, in order to define the tool in this example, different
parameterizations are presented.
The optimisation strategies proposed in this work efficiently solve optimisation
problems for the industrial metal forming. Doutoramento em Engenharia Mecânica
