Desenvolvimento de um elemento sólido-casca não linear para aplicação em simulações de conformação plástica de chapas anisotrópicas

摘要

A utilização dos métodos computacionais na Engenharia Mecânica temassumido cada vez mais relevância, contribuindo para uma melhorcompreensão dos processos de conformação plástica em chapa,especialmente aqueles que lidam com materiais anisotrópicos, como é o casodas ligas de alumínio. Dentre estes, o método dos elementos finitos (FEM) temprogredido substancialmente nas últimas duas décadas, em parte devido aorápido desenvolvimento da arquitectura dos computadores. Para a correctamodelação dos processos de conformação plástica em chap: odesenvolvimento de um elemento finito preciso e eficiente, vocacionado para amodelação de estruturas com parede fina, como é o caso das chapas demetal; o estudo e implementação de modelos constitutivos, considerando aanisotropia material a três dimensões.Assim, é proposto um novo elemento finito sólido-casca, suportando umnúmero arbitrário de pontos de integração numérica ao longo da suaespessura. Devido à sua topologia sólida com oito nós físicos, esta formulaçãoavalia naturalmente variações de espessura, contacto simultâneo em duasfaces e modelos constitutivos tridimensionais, aspectos cruciais neste tipo deaplicações.Do lado constitutivo, a caracterização de materiais anisotrópicos pode serconseguida através de funções de cedência não quadráticas ou através demodelos policristalinos. A descrição matemática da anisotropia plástica éconveniente e computacionalmente eficiente devido ao facto de utilizarparâmetros mecânicos macroscópicos como dados de entrada. Por outro lado,a descrição policristalina é baseada em aspectos físicos micro-estruturais dadeformação plástica, sendo a textura cristalográfica o principal dado deentrada para estes modelos. Assim, a rotação de cada um dos grãos éacompanhada individualmente e a anisotropia material é consequentementeevolucional. No entanto, quando comparado com os modelosfenomenológicos, os modelos policristalinos são computacionalmenteintensivos e não passíveis de serem usados à escala industrial, em particularna análise de conformação em chapa. Neste trabalho, as duas alternativas sãoanalisadas, mas devido ao seu carácter inovador, ênfase será dada a ummodelo multi-escala optimizado, que utiliza o conceito da interacção dossistemas de deslizamento ao nível do grão e uma transição micro-macrobaseada na hipótese de que todos os grãos sofrem o mesmo nível dedeformação macroscópico.No final, os dois tópicos referidos (elemento finito e lei constitutiva) sãoconsolidados num código de elementos finitos, sendo então validados ecomparados com resultados experimentais ou numéricos, previamentepublicados por outros autores.