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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Péricles Rafael Pavão Carvalho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Sanches, Rodolfo André Kuche (President)
Pascon, João Paulo
Rubert, José Benaque
Title in Portuguese
Análise numérica bidimensional de sólidos com comportamento visco-elasto-plástico em grandes deformações e situações de contato
Keywords in Portuguese
Contato
Elasto-plasticidade
Grandes deformações
Grandes deslocamentos
MEF posicional
Visco-elasticidade
Visco-elasto-plasticidade
Visco-plasticidade
Abstract in Portuguese
Motivado por diversos processos de manufatura, tais como conformação de metais a frio ou mesmo manufatura aditiva, este trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional para a simulação numérica de problemas bidimensionais que abordam três tipos de não-linearidade: a geométrica, presente em situações de grandes deslocamentos; a física, presente no modelo constitutivo do material; e a de contato. Na primeira etapa, desenvolve-se um programa para análise dinâmica bidimensional de sólidos elásticos, utilizando a abordagem posicional do método dos elementos finitos, que engloba naturalmente a não-linearidade geométrica em sua formulação. Em seguida, implementam-se modelos constitutivos não-elásticos para problemas com grandes deformações. No modelo elastoplástico, adota-se o critério de von Mises com encruamento cinemático baseado na lei de Armstrong-Frederick. Essa formulação é então generalizada para o caso visco-plástico, onde é considerado o modelo de Perzyna em conjunto com a lei de Norton. No caso visco-elástico, utiliza-se uma formulação que parte do modelo reológico de Zener. Por fim, apresenta-se um modelo visco-elasto-plástico que consiste no acoplamento dos modelos visco-elástico e visco-plástico descritos anteriormente. Em todos os casos, utiliza-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração. Com respeito à aplicação 2D, consideram-se as hipóteses de estado plano de deformações e estado plano de tensões, onde a última é resolvida numericamente por um procedimento local de Newton-Raphson. Para o problema de contato, aplica-se a estratégia Nó-a-Segmento, sendo as condições de não-penetração impostas com a introdução de multiplicadores de Lagrange. A formulação é testada em cada uma das etapas por meio de exemplos numéricos de verificação. Além disso, para mostrar as potencialidades do código desenvolvido, são propostos diversos exemplos numéricos, sendo alguns inspirados por processos de manufatura existentes. Nesses exemplos, são estudados os efeitos de diferentes parâmetros dos materiais e diferentes taxas de deformação na resposta numérica, permitindo uma análise do comportamento dissipativo decorrente da plastificação e da viscosidade, incluindo a influência desses sobre o amortecimento dinâmico.
Title in English
Two-dimensional numerical analysis of solids with visco-elasto-plastic behavior under large strains and contact situations
Keywords in English
Contact
Elasto-plasticity
Large displacements
Large strains
Positional FEM
Visco-elasticity
Visco-plasticity
Viscoelasto-plasticity
Abstract in English
Motivated by several manufacturing processes, such as cold metal forming or even additive manufacturing, in this work we develop a computational code for numerical simulation of two-dimensional problems addressing three types of nonlinearities: geometric nonlinearity, present in large displacements situations; physical non-linearity, present in the material constitutive model; and contact non-linearity. In the first step, we develop a computational program for dynamic analysis of two-dimensional elastic solids using the positional finite element method, which naturally takes into account geometric non-linearity in its formulation. Following, we implement inelastic constitutive models for large strain problems. In the elasto-plastic model, we adopt von Mises yeld criteria and kinematic hardening based on the Armstrong-Frederick law. The formulation is then generalized to the visco-plastic case, where we consider Perzyna model associated with Norton's law. In the visco-elastic case, Zener's rheological model is employed. Finally, we present a visco-elasto-plastic model by coupling the visco-elastic and visco-plastic models described previously. In every case, the multiplicative decomposition of the deformation gradient is employed. Regarding the 2D application, we consider both plane strain and plane stress hypothesis, where the latter is solved numerically by a local Newton-Raphson procedure. For the contact problem, we employ the Node-to-Segment strategy, imposing non-penetration conditions with the introduction of Lagrange multipliers. The resulting computational code is tested in each step by means of numerical verification examples. In addition, to show the potentialities of the developed code, several numerical examples are proposed, some of which inspired by existing manufacturing processes. On these examples, we study the effects of different material parameters and strain rates on the numerical response, allowing an analysis of the dissipative behavior due to plasticity and viscosity, including the influence of these on the dynamic damping.
 
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Publishing Date
2019-07-01
 
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