CARATTERIZZAZIONE CON METODI INVERSI DI MODELLI ANISOTROPI DI PLASTICITÀ ATTRAVERSO PROVE DI TRAZIONE E DIGITAL IMAGE CORRELATION

Correct identification of the mechanical behavior of metal sheets is important in many industrial applications, such as automotive, mainly for numerical finite element simulations. Metal sheets are produced through cold rolling, a process that induces anisotropy, influencing the behavior of the material in subsequent forming processes. The problem is to ensure that the material constitutive model used in FEM simulations is able to describe its behavior accurately. In this work the idea is to use a simple model, such as Hill'48-r, based on Lankford parameters obtained through uniaxial tests, to simulate a particular plane stress state on a sheet steel. The traditional approach for material characterization involves the use of classical mechanical tests, such as uniaxial or pure shear tensile test, obtaining homogeneous strain distributions on the sample. These give stress and strain data for specific stress states, so multiple tests are required to identify all the material parameters. The alternative approach is to conduct tests that provide heterogeneous, multiaxial strain distributions involving the whole set of constitutive parameters. The advantages are the reduction of the number of tests required, a better quality and a better prediction of the material parameters. The method used for identification is called FEMU and consists in comparing the experimental strain fields with the numerical strain fields (obtained using the Hill model). The sample used for the tensile test is characterized by the presence of notches that introduce heterogeneity in the deformation field. The constitutive model of the material implemented in Abaqus is defined by the following laws: resistance criterion, plastic flow rule, hardening law. In addition to an FEM model, DIC is used, a non-contact measurement technique that consists in the estimation of coordinates and displacements by correlating a sequence of digital images of the sample surface in the area of ​​interest, suitably prepared by creating a pattern of black spots on a white base. There are two methods of conducting an experiment: Actual Experiment (AE), Virtual Experiment (VE) A quantitative indicator of heterogeneity was introduced, formulated considering the range, the heterogeneity and the level of deformation obtained in the test. A topology optimization study was conducted to find the notch radius value that maximizes the indicator. The optimal radius is 3.5 mm, then two other radii, 1.5 mm and 7 mm, with sufficiently lower heterogeneity values were chosen. As expected, 3.5 mm gives the best identification, so from here on the study has been focused on this radius value. It turned out that the parameters influencing the identification results are the DIC settings, the pattern, the orientation of the material. Subsequently, real experiments were carried out on samples with 1.5mm, 3.5mm and 7mm radii. The following conclusions can therefore be drawn: • The higher the level of heterogeneity, the better the identification; • The identification is sensitive to the number of Load Steps and DIC settings, which are strictly dependent on the speckle pattern; • There is a coherence between the results from VE and AE, so that it is possible to carry out realistic experiments numerically as an alternative to real experiments conducted in the laboratory, saving time and costs. • For this specific test, the Hill'48-r model accurately describes the behavior of the material in the vicinity of the uniaxial stress and plane deformation states.

La corretta identificazione del comportamento meccanico delle lamiere è importante in molte applicazioni industriali, come l'automotive, principalmente per le simulazioni numeriche agli elementi finiti. Le lamiere vengono prodotte mediante laminazione a freddo, processo che induce anisotropia, influenzando il comportamento del materiale nei successivi processi di formatura. Il problema è garantire che il modello costitutivo materiale utilizzato nelle simulazioni FEM sia in grado di descrivere accuratamente il proprio comportamento. In questo lavoro l'idea è quella di utilizzare un modello semplice, come Hill'48-r, basato sui parametri di Lankford ottenuti attraverso prove uniassiali, per simulare un particolare stato di sollecitazione sul piano su una lamiera d'acciaio. L'approccio tradizionale per la caratterizzazione dei materiali prevede l'uso di prove meccaniche classiche, come la prova di trazione monoassiale o di taglio puro, ottenendo distribuzioni omogenee delle deformazioni sul campione. Questi forniscono dati di sollecitazione e deformazione per stati di sollecitazione specifici, quindi sono necessari più test per identificare tutti i parametri del materiale. L'approccio alternativo consiste nel condurre test che forniscano distribuzioni di deformazione multiassiali eterogenee che coinvolgono l'intero set di parametri costitutivi. I vantaggi sono la riduzione del numero di test richiesti, una migliore qualità e una migliore previsione dei parametri del materiale. Il metodo utilizzato per l'identificazione è denominato FEMU e consiste nel confrontare i campi di deformazione sperimentale con i campi di deformazione numerici (ottenuti utilizzando il modello di Hill). Il campione utilizzato per la prova di trazione è caratterizzato dalla presenza di tacche che introducono eterogeneità nel campo di deformazione. Il modello costitutivo del materiale implementato in Abaqus è definito dalle seguenti leggi: criterio di resistenza, regola del flusso plastico, legge di tempra. Oltre a un modello FEM, viene utilizzato DIC, una tecnica di misura senza contatto che consiste nella stima di coordinate e spostamenti correlando una sequenza di immagini digitali della superficie del campione nell'area di interesse, opportunamente predisposta creando un motivo di macchie nere su base bianca. Esistono due metodi per condurre un esperimento: Actual Experiment (AE), Virtual Experiment (VE) È stato introdotto un indicatore quantitativo di eterogeneità, formulato considerando il range, l'eterogeneità e il livello di deformazione ottenuto nel test. È stato condotto uno studio di ottimizzazione della topologia per trovare il valore del raggio dell'intaglio che massimizza l'indicatore. Il raggio ottimale è 3,5 mm, quindi sono stati scelti altri due raggi, 1,5 mm e 7 mm, con valori di eterogeneità sufficientemente inferiori. Come previsto, 3,5 mm fornisce la migliore identificazione, quindi da qui in poi lo studio si è concentrato su questo valore di raggio. Si è scoperto che i parametri che influenzano i risultati dell'identificazione sono le impostazioni DIC, il modello, l'orientamento del materiale. Successivamente, sono stati condotti veri esperimenti su campioni con raggi di 1,5 mm, 3,5 mm e 7 mm. Si possono quindi trarre le seguenti conclusioni: • Maggiore è il livello di eterogeneità, migliore è l'identificazione; • L'identificazione è sensibile al numero di fasi di carico e alle impostazioni DIC, che sono strettamente dipendenti dal pattern macchiettato; • Esiste una coerenza tra i risultati di VE e AE, in modo che sia possibile condurre esperimenti realistici numericamente in alternativa agli esperimenti reali condotti in laboratorio, risparmiando tempo e costi. • Per questo test specifico, il modello Hill'48-r descrive accuratamente il comportamento del materiale in prossimità degli stati di sollecitazione uniassiale e di deformazione piana.