استفاده از روش کوپل اویلری-لاگرانژی در تحلیل فرآیند شکل‌دهی سرعت‌بالای ورق‌های فلزی با قالب مادگی

نوع مقاله : مکانیک ضربه

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه امام حسین(ع)، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه امام حسین(ع)، تهران، ایران

3 نویسنده مسئول: استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه امام حسین(ع)، تهران، ایران

4 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه امام حسین(ع)، تهران، ایران

5 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ایوان‌کی، ایوان‌کی، ایران.

چکیده

در مقاله حاضر به شبیه‌سازی عددی رفتار ورق‌های فلزی در فرآیند شکل‌دهی سرعت‌بالا با قالب مادگی نمونه پرداخته‌شده است. همچنین از روش بارگذاری انفجاری مکرر زیرآب جهت اعمال بار به نمونه بهره گرفته‌شده به‌طوری‌که در بارگذاری اول و دوم به ترتیب از 4 و 8 گرم ماده منفجره استفاده‌شده است. در ادامه، از روش کوپل اویلری-لاگرانژی به همراه مدل ساختاری ویسکوپلاستیسیته جانسون-کوک جهت شبیه‌سازی عددی فرآیند بهره گرفته شد. مدل عددی با استفاده از آزمایش‌های انجام‌شده در مرجع [1] صحت‌سنجی شد. نشان داده شد که مدل عددی به‌خوبی گستره تغییرشکل و همچنین نحوه توزیع ضخامت در راستای طولی ورق را ایجاد می‌کند. با استفاده از مدل عددی صحت‌سنجی‌شده، کمیت‌هایی نظیر تغییرات سرعت تغییرشکل افقی و سرعت تغییرشکل عمودی، فشار، تنش و معیار آسیب در راستای شعاعی ورق بررسی شد. نتایج نشان داد که برخلاف نتایج به‌دست‌آمده برای شکل‌دهی انفجاری در مراجع پیشین، نمونه آزمایشی در بارگذاری اول و دوم پس از طی کردن ناحیه تغییرشکل گذرا دچار نوسانات یا اصطلاحاً پدیده بازگشت فنری نمی‌شود و مقدار آن سریعاً به میزان بیشینه (عمق قالب مادگی) نزدیک می‌گردد. همچنین، ورق پس از برخورد با قالب دچار تغییرشکل وارون یا کاهش میزان تغییرشکل نمی‌گردد. علت این مسئله را می‌توان در انتخاب مناسب میزان جرم خرج و همچنین استفاده از قالب مادگی جستجو کرد. لذا استفاده از ایده قالب مادگی بدون راهگاه برای شکل‌دهی فلزات تحت بارگذاری انفجاری مکرر زیرآب بسیار کارآمد است.

چکیده تصویری

استفاده از روش کوپل اویلری-لاگرانژی در تحلیل فرآیند شکل‌دهی سرعت‌بالای ورق‌های فلزی با قالب مادگی

تازه های تحقیق

  • شبیه‌سازی عددی رفتار ورق‌های فلزی در فرآیند شکل‌دهی سرعت‌بالا با قالب مادگی نمونه
  • عدم مشاهده نوسانات و پدیده بازگشت فنری پس از تغییرشکل گذرای نمونه
  • عدم تغییرشکل وارون یا کاهش میزان تغییرشکل مرکزی در بارگذاری مکرر

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Using Coupled Eulerian-Lagransian Method in the Analysis of the High-speed Forming Process of Metal Plates with Female Die

نویسندگان [English]

  • Mohammad Kouzehgaran 1
  • Hossein Khodarahmi 2
  • Milad Sadegh Yazdi 3
  • Mojtaba Ziya-Shamami 4
  • Tohid Mirzababaie Mostofi 5
1 Ph.D. Student, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Professor, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
3 Corresponding author: Assistant Professor, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
4 Assistant Professor, Faculty of Engineering, Imam Hossein University, Tehran, Iran
5 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, University of Eyvanekey, Eyvanekey, Iran.
چکیده [English]

In this article, the numerical simulation of the behavior of metallic plates in the process of high-speed forming with female die is discussed. Also, the repeated underwater explosive loading was applied to the sample so that 4 and 8 gr of explosive charge were used in the 1st and 2nd blast, respectively. In the following, the Coupled Eulerian-Lagrangian method along with Johnson-Cook viscoplasticity model was used for the numerical simulation of the process. The numerical model was validated using the experiments conducted in Ref [1]. It was shown that the numerical model well shows the deformation profile as well as the thickness distribution in the longitudinal direction of the plate. Using the validated numerical model, quantities such as changes in horizontal deformation velocity and vertical deformation velocity, pressure, stress and JC damage criteria in the radial direction of the plate were investigated. The results showed that unlike the results obtained for explosive forming in the previous references, the test specimen in the 1st and 2nd blasts after passing through the transient deformation area does not undergo fluctuations or so-called springback phenomenon and its value quickly approaches the maximum amount (depth of the female die). Also, after hitting the die, the plate does not experience the reverse deformation or reduction of the deformation. The cause of this issue can be found in the appropriate selection of the amount of the charge mass of the and also the use of the female die. Therefore, it is very efficient to use the idea of a female die without central venting hole for forming metals under repeated underwater explosive loading.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Die forming
  • Female die
  • Repeated underwater explosion
  • Numerical simulation
  • Coupled Eulerian-Lagrangian method


Smiley face

[1] Kouzehgaran M, Khodarahmi H, Sadegh-Yazdi M, Ziya-Shamami M, Mostofi T. Female Die Forming of Metallic Plates using Repeated Underwater Explosions. Journal of Aerospace Mechanics. 2024;20(3):1-16. DOR: https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455323.1403.20.3.1.7
[2] Babaei H, Mirzababaie Mostofi T, Alitavoli M. Experimental and theoretical study of large deformation of rectangular plates subjected to water hammer shock loading. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2017;231(3):490-6. DOI: https://doi.org/10.1177/0954408915611055
[3] Mostofi TM, Babaei H, Alitavoli M, Lu G, Ruan D. Large transverse deformation of double-layered rectangular plates subjected to gas mixture detonation load. International Journal of Impact Engineering. 2019;125:93-106. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2018.11.005
[4] Nasiri S, Sadegh-Yazdi M, Mousavi S, Ziya-Shamami M, Mostofi T. Repeated underwater explosive forming: Experimental investigation and numerical modeling based on coupled Eulerian-Lagrangian approach. Thin-Walled Structures. 2022;172:108860. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108860
[5] Nasiri S, Sadegh-Yazdi M, Mostofi T, Mousavi S, Ziya-Shamami M. Optimization of effective parameters in free iron sheet forming process by underwater explosion method. Journal of Aerospace Mechanics. 2022;18(1):137-59. DOR: https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455323.1403.20.3.1.7
[6] Nasiri S, Sadegh Yazdi M, Zia Shamami M. A review on the underwater explosive forming. Journal of Solid and Fluid Mechanics. 2022;11(6):59-83. DOI: https://doi.org/10.22044/jsfm.2022.11060.3447
[7] Tran P, Wu C, Saleh M, Neto LB, Nguyen-Xuan H, Ferreira A. Composite structures subjected to underwater explosive loadings: A comprehensive review. Composite Structures. 2021;263:113684. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113684
[8] Babaei H, Mostofi TM, Sadraei SH. Effect of gas detonation on response of circular plate-experimental and theoretical. Structural Engineering and Mechanics. 2015;56(4):535-48. DOI: https://doi.org/10.12989/sem.2015.56.4.535
[9] Mostofi TM, Babaei H, Alitavoli M. The influence of gas mixture detonation loads on large plastic deformation of thin quadrangular plates: Experimental investigation and empirical modelling. Thin-Walled Structures. 2017;118:1-11. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.04.031
[10] Mirzababaie Mostofi T, Babaei H, Alitavoli M. Experimental and theoretical study on large ductile transverse deformations of rectangular plates subjected to shock load due to gas mixture detonation. Strain. 2017;53(4):e12235. DOI: https://doi.org/10.1111/str.12235
[11] Rajendran R, Narasimhan K. Deformation and fracture behaviour of plate specimens subjected to underwater explosion-a review. International Journal of Impact Engineering. 2006;32(12):1945-63. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2005.05.013
[12] Ashani J, Ghamsari A. Theoretical and experimental analysis of plastic response of isotropic circular plates subjected to underwater explosion loading. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2008;39(2):171-5. DOI: https://doi.org/10.1002/mawe.200700256
[13] Jones N. Structural impact. Cambridge University Press; 2012. [Book - No DOI]
[14] Hadavi V, Zamani J, Hosseini R. The empirical survey on the effect of using media in explosive forming of tubular shells. International Journal of Materials and Metallurgical Engineering. 2009;3(12):649-54.
[15] Zamani J, Safari K, Ghamsari A, Zamiri A. Experimental analysis of clamped AA5010 and steel plates subjected to blast loading and underwater explosion. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2011;46(3):201-12. DOI: https://doi.org/10.1177/0309324710396601
[16] Iyama H, Higa Y, Itoh S. Study on the effects of shock wave propagation on explosive forming. Materials Science Forum. 2014;783-786:1479-84. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.767.132
[17] Huang W, Jia B, Zhang W, Huang X, Li D, Ren P. Dynamic failure of clamped metallic circular plates subjected to underwater impulsive loads. International Journal of Impact Engineering. 2016;94:96-108. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2016.04.006
[18] Iyama H, Itoh S. Study on explosive forming of aluminum alloy. The International Journal of Multiphysics. 2010;4(4):341-50. DOI: https://doi.org/10.1260/1750-9548.4.4.341
[19] Ruan L, Ezaki S, Masahiro F, Shen S, Kawamura Y. Forming of magnesium alloy by underwater shock wave. Journal of Magnesium and Alloys. 2016;4(1):27-9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2015.12.003
[20] De Vuyst T, Kong K, Djordjevic N, Vignjevic R, Campbell J, Hughes K. Numerical modelling of the effect of using multi-explosives on the explosive forming of steel cones. Journal of Physics: Conference Series. 2016;734:032021. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/734/3/032074
[21] Iyama H, Higa Y, Nishi M, Itoh S. Numerical simulation of explosive forming using detonating fuse. The International Journal of Multiphysics. 2017;11(3):233-44. DOI: https://doi.org/10.21152/1750-9548.11.3.233
[22] Ren P, Zhou J, Tian A, Zhang W, Huang W. Experimental and numerical investigation of the dynamic behavior of clamped thin panel subjected to underwater impulsive loading. Latin American Journal of Solids and Structures. 2017;14:978-99. DOI: https://doi.org/10.1590/1679-78253521
[23] Heshmati M, Zamani AJ, Mozafari A. Experimental and numerical study of isotropic circular plates' response to underwater explosive loading. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2017;48(2):106-21. DOI: https://doi.org/10.1002/mawe.201600578
[24] Zhang Z, Wang C, Wang L, Zhang A, Silberschmidt VV. Underwater explosion of cylindrical charge near plates: Analysis of pressure characteristics and cavitation effects. International Journal of Impact Engineering. 2018;121:91-105. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2018.06.009
[25] Nishi M, Sakaguchi H, Tanaka S, Iyama H, Fujita M. Research on explosive forming of magnesium alloy plate using numerical simulation and experimental studies (I). Sci Technol Energetic Mater. 2018;79(5-6):156-9.
[26] Iyama H, Higa Y, Nishi M, Itoh S. Magnesium alloy forming using underwater shock wave by wire electric discharge. Int J Multiphys. 2019;13:269-82.
[27] Dai K, Liu H, Chen P, Guo B, Xiang D, Rong J. Dynamic response of copper plates subjected to underwater impulsive loading. Applied Sciences. 2019;9(9):1927. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2016.01.022
[28] Behtaj M, Babaei H, Mostofi TM. Repeated uniform blast loading on welded mild steel rectangular plates. Thin-Walled Structures. 2022;178:109523. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109523
[29] Rezasefat M, Mirzababaie Mostofi T, Babaei H, Ziya-Shamami M, Alitavoli M. Dynamic plastic response of double-layered circular metallic plates due to localized impulsive loading. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2019;233(7):1449-71. DOI: https://doi.org/10.1177/1464420718760640
[30] Rezasefat M, Mostofi TM, Ozbakkaloglu T. Repeated localized impulsive loading on monolithic and multi-layered metallic plates. Thin-Walled Structures. 2019;144:106332. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106332
[31] Rigby SE, Tyas A, Bennett T, Fay SD, Clarke SD, Warren JA. A numerical investigation of blast loading and clearing on small targets. International Journal of Protective Structures. 2014;5(3):253-74. DOI: https://doi.org/10.1260/2041-4196.5.3.253
[32] Rigby SE, Barr AD, Clayton M. A review of Pochhammer-Chree dispersion in the Hopkinson bar. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Engineering and Computational Mechanics. 2018;171(1):3-13. DOI: https://doi.org/10.1680/jencm.16.00027
[33] Johnson GR, Cook WH. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures. Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics; 1983: The Netherlands.
[34] Johnson G, Cook W. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates and temperatures and pressures. Engg Fract Mech. 1985;21(1):31-48. DOI: https://doi.org/10.1016/0013-7944(85)90052-9
[35] Elek PM, Jaramaz SS, Micković DM, Miloradović NM. Experimental and numerical investigation of perforation of thin steel plates by deformable steel penetrators. Thin-Walled Structures. 2016;102:58-67. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2016.01.022
[36] Haghgoo M, Babaei H, Mostofi TM. 3D numerical investigation of the detonation wave propagation influence on the triangular plate deformation using finite rate chemistry model of LS-DYNA CESE method. International Journal of Impact Engineering. 2022;161:104108. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.104108
[37] Babaei H, Mirzababaie Mostofi T. Modeling and prediction of fatigue life in composite materials by using singular value decomposition method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2020;234(2):246-54. DOI: https://doi.org/10.1177/1464420716660875

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 19 خرداد 1403
  • تاریخ دریافت: 21 فروردین 1403
  • تاریخ بازنگری: 10 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 22 اردیبهشت 1403
  • تاریخ انتشار: 19 خرداد 1403