ES2201838T3 - Metodo de modelar la conformacion de una hoja anisotropica. - Google Patents

Abstract

Un método de fabricación de un artículo (60), que comprende las operaciones de: a) crear una pieza en bruto (12) de material que tenga propiedades mecánicas anisótropas; b) diseñar una herramienta (14) para la fabricación del artículo mediante la predicción de la fluencia y deformación de la pieza en bruto con el uso de un análisis de conformación (52), en el que es utilizado un análisis de elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado y desvinculado de las propiedades de deformación anisótropa de la pieza en blanco; y c) conformación del artículo a partir de la pieza en bruto con el uso de la herramienta diseñada en la operación b).

Description

Método de modelar la conformación de una hoja ansiotrópica.

Campo de aplicación técnica

La presente invención se refiere, en general, a la conformación de materiales deformables, y más particularmente a un método de formación de una chapa metálica en artículos útiles, en el que las herramientas están diseñadas con el uso de modelos matemáticos basados en técnicas de análisis de elementos finitos (FEA) para optimizar las operaciones de conformación, el diseño de las herramientas, y la actuación del producto, en los artículos formados.

Antecedentes técnicos

Muchos artículos son hechos por estampación, prensa, o troquel de un material de base, de modo que se deforme en una pieza o parte que tenga una forma y función útiles. La presente invención está relacionada con la modelación matemática de la mecánica de la fluencia y deformación de dicho material, y particularmente se refiere a la deformación de chapas de metal (por ejemplo, aluminio) con el uso de herramientas y troqueles, para producir una amplia variedad de productos, desde botes para bebidas hasta componentes de aplicación en la automoción.

Cuando se diseña la forma de un producto, tal como un bote de bebida, es importante comprender cómo el proceso de deformación afectará a la pieza en bruto de la chapa metálica. Códigos de análisis de elementos finitos, adquiribles en un cierto número de Firmas, pueden ser utilizados para analizar la plasticidad, la fluencia, y la deformación, para optimizar las operaciones de conformación, el diseño de las herramientas, y la actuación del producto en diseños de él. Estos modelos pueden dar por resultado unas herramientas que mejoren la calidad de un producto, así como que reduzca su coste. La capacidad predictiva de dichos modelos de elementos finitos es determinada en gran parte por el modo en que es descrito en ellos el comportamiento del material.

Para apreciar las complejidades de la modelación del proceso de deformación, será útil comprender algunos conceptos básicos de la metalurgia mecánica, incluidos los conceptos de carga de fluencia, endurecimiento del trabajo, y línea de deformación.

Aunque algún tipo de dispositivo de carga externa, tal como una máquina de ensayos de tracción, deforma un metal, la respuesta inicial es elástica, con una relación lineal entre la tensión y el estiramiento. A un cierto valor de la tensión, determinado por la microestructura del metal, comienza la deformación plástica y la respuesta no es lineal, y comprende una deformación elástica y plástica. La carga de fluencia define la resistencia del metal y la condición en la que se inicia la deformación plástica.

La deformación más allá de la carga de fluencia se caracteriza por el endurecimiento de trabajo, lo que hace que la tensión aumente con régimen siempre decreciente, hasta que surge un mecanismo de fallo y la muestra se rompe. Por tanto, el valor de la carga de fluencia y la curva de endurecimiento de trabajo son dos conceptos fundamentales que definen la deformación plástica de los metales.

La conformación de una chapa metálica en productos industriales o de consumidor (por ejemplo, botes o componentes de automóvil) se produce bajo condiciones de deformación multiaxiales, no con el simple camino multiaxial antes descrito (ensayo de tracción). En dichos casos, la deformación es descrita por la dirección de dicha deformación. Esta dirección es definida por el tensor de deformación plástica.

Un tensor es un concepto matemático útil para describir las diversas propiedades físicas. La mayor parte de las propiedades físicas pueden ser expresadas como un escalar, un vector, o un tensor.

Una cantidad escalar es aquélla que puede ser especificada con un número sencillo (por ejemplo, temperatura o masa), mientras que una cantidad de vector es la que requiere dos valores, tales como magnitud y dirección (por ejemplo, velocidad o fuerza).

Una cantidad de tensor es un concepto de orden superior que requiere más de dos valores, es decir, más de una única magnitud y dirección. Por ejemplo, un tensor de esfuerzo es una formación de 3x3, de la que cada término se define por un esfuerzo que actúa sobre un plano dado, en una dirección dada. Dado que se requieren dos cosenos de dirección para las transformaciones, el tensor de esfuerzo es de segundo orden.

El tensor de esfuerzo plástico (o régimen de esfuerzo) es un tensor de segundo orden, que puede ser expresado como una matriz de 3x3, y en la que los ejes principales tienen la forma:

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\+\hfil#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 a \+ 0 \+ 0\cr  0 \+ b \+ 0\cr  0 \+ 0 \+
c\cr}

\newpage

Las líneas de deformación comunes y sus valores asociados para los componentes de tensor de deformación plástica se exponen seguidamente:

Línea de deformación	a	b	c
Tensión uniaxial	-0,5	1	-0,5
Compresión uniaxial	0,5	-1	0,5
Tensión biaxial	0,5	0,5	-1
Tensión de deformación plana	0	1	-1
Compresión de deformación plana	0	-1	1

Los conceptos de la curva de tensión-deformación están extendidos a la plasticidad multiaxial, por definición de una tensión efectiva y una deformación efectiva, \sigma_{efect} y \varepsilon_{efect} que son funciones de los componentes de tensores de esfuerzo y deformación plástica. Los conceptos de carga de fluencia y endurecimiento de trabajo son extendidos luego a condiciones multiaxiales mediante el uso de \sigma_{efect} y \varepsilon_{efect}, en lugar de \sigma y \varepsilon; del caso uniaxial.

Específicamente, la tensión efectiva es dada por la segunda invariante del tensor de esfuerzo y la plasticidad es citada como J_{2} o von Mises.

Para una chapa de metal isótropa, las propiedades de la plasticidad no dependen de la dirección o línea de la deformación, y la curva uniaxial de tensión- deformación es todo lo que se requiere para caracterizar la conformación de un producto a partir de una chapa. Sin embargo, cuando una chapa de aluminio es laminada, es anisótropa, lo que significa que algunas de las propiedades mecánicas no serán las mismas en todas las direcciones.

Debido a que la chapa laminada es anisótropa, la carga de fluencia así como el endurecimiento de trabajo dependerán tanto de la dirección de la tensión en la chapa como de la línea de deformación. Por ejemplo, en un cuerpo en bruto de un bote de chapa de aluminio, la curva de tensión-deformación para una muestra cortada con su eje de tracción en la dirección de la laminación queda por debajo de aquélla para una muestra cortada en la dirección transversal. Bajo condiciones de tensión multiaxial debe reemplazarse el concepto de punto de fluencia por el de superficie de fluencia, que en un espacio de tensión multidimensional define el límite entre la respuesta elástica y plástica.

El endurecimiento de trabajo se manifiesta como una aumento en la distancia desde el origen de la tensión hasta un punto sobre la superficie de fluencia. Debe permitirse la posibilidad de que el régimen de endurecimiento pueda depender de la dirección de la deformación. Por tanto, el endurecimiento cambia no sólo el tamaño de la superficie de fluencia, sino también su forma.

La anisotropía de la lámina es determinada por la textura cristalográfica, es decir, por las orientaciones de los cristales que constituyen la chapa. Dado que las propiedades de un cristal sencillo son altamente anisótropas, la anisotropía de la chapa depende de la distribución de las orientaciones de los cristales que la comprenden. Por tanto, la función de distribución de la orientación (ODF) es una propiedad fundamental de la chapa. Hay varios tipos de programas de análisis que utilizan la textura cristalográfica.

La textura cristalográfica de la chapa, en forma de figuras de polo (o proyecciones que indican las orientaciones preferidas), se obtiene experimentalmente mediante el uso de rayos X o difracción neutrónica. La ODF y la tabla de pesos se calculan a partir de los datos de las figuras de polo. Estos últimos son particularmente importantes ya que definen la fracción de volumen de cristales que tienen una orientación particular. Típicamente, los pesos para al menos 600 orientaciones distintas son determinados por análisis de los datos de difracción experimental, y proporcionan la entrada crucial para los cálculos de la plasticidad del cristal.

Una técnica de análisis que utiliza la textura cristalográfica es el simulador de punto de material (MPS), que utiliza la teoría de la plasticidad del cristal para calcular la respuesta de una pequeña cantidad de material sujeta a una línea de deformación especificada. La respuesta del conjunto se calcula a partir de las respuestas ponderadas de cada uno de los cristales contenidos en él. Los parámetros de endurecimiento y de carga de fluencia de un cristal sencillo son determinados mediante un procedimiento iterativo, hasta equiparar la predicción a partir de la simulación con una curva medida de tensión-deformación (en general, tracción o compresión uniaxial).

Determinadas las propiedades del cristal sencillo, puede ser calculado el comportamiento de tensión-deformación para cualquier línea de deformación deseada. Además del endurecimiento de trabajo convencional, el cálculo incluye usualmente la evolución de la textura durante la deformación a lo largo de la línea de ella. En efecto, la comparación de las texturas previstas y medidas después de la deformación proporciona el medio principal de validación de los simuladores de punto de material.

Otra técnica de análisis que es utilizada para modelar la conformación y actuación de productos procedentes de una chapa, es el análisis de elementos finitos (FEA). Un FEA subdivide la chapa en un cierto número de elementos, típicamente desde unos pocos cientos para un análisis sencillo, hasta 100.000 o más para partes complejas y procedimientos de conformación.

La herramienta utilizada para formar una parte es también enmallada, y se permite el contacto entre la herramienta y la chapa de modo que el movimiento simulado de la herramienta en el modelo deforme dicha chapa y produzca una parte virtual justamente como una herramienta real produce una parte en una instalación. Por tanto, no es necesario conocer a priori la línea de deformación seguida por cada elemento durante la operación de conformación; se trata de una simple respuesta al movimiento de la herramienta.

Ejemplos del uso del FEA para formar productos a partir de una chapa se exponen en las patentes de EE.UU. números 5.128.877, 5.379.227, 5.390.127, y 5.402.366. Las primeras tres patentes citadas describen métodos para ayudar a las herramientas de conformación de chapa metálica, que incluyen la representación de dicha chapa metálica como una malla así como una pluralidad de nódulos y elementos asociados. Un ordenador determina el estado de tensión de un punto de muestra, en base a una teoría de deformación incremental de la plasticidad (el "método de desplazamiento" descrito es un FEA). La cuarta patente describe un método para simular una operación de conformación con el uso de un FEA y un modelo de fluencia de partículas. Estos procedimientos no requieren distinción alguna entre las características anisótropas e isótropas de la chapa.

Las propiedades de plasticidad de un elemento individual (o más precisamente, en cada punto de integración dentro de un elemento) se expresan por las definiciones de superficie de fluencia y ley de endurecimiento, que comprenden las definiciones esenciales del material requeridas para el análisis.

La gran mayoría de los FEA utilizan plasticidad von Mises, isotrópica, para el primero, y una simple curva uniaxial de tensión-deformación para el último.

Con frecuencia surge una dificultad, en la que las deformaciones para una operación de conformación pueden superar (en algunos casos según un factor de 10 o más) a las conseguidas en una caracterización de la chapa en laboratorio. En tal caso, el analista FE debe proporcionar el código con una extrapolación de los datos experimentales, para deformaciones superiores a las impuestas por la herramienta durante la operación de conformación. Este requerimiento no es una tarea trivial, ya que el endurecimiento depende de la deformación y de la dirección de ella, debido a la evolución de la textura durante la operación de conformación.

En muchos casos, y en especial en chapas de aleación de aluminio, la anisotropía debe ser incluida en un FEA. Para ello existen dos opciones básicas. En los últimos 50 años se han propuesto una cierta variedad de funciones analíticas, para reemplazar la isótropa von Mises. Son notables las formulaciones de Hill en 1948, 1979, y 1990; de Karafillis y Boyce en 1993; y de Barlat en 1989, 1991, y 1997. El procedimiento de función analítica presenta dos dificultades.

La primera es que dado que la función es una expresión algebraica relativamente sencilla y de forma cerrada, puede proporcionar sólo una aproximación a la forma de la superficie de fluencia real en un espacio de tensión de seis dimensiones. En efecto, en muchos casos, el espacio de tensión disponible para funciones analíticas de fluencia ha sido reducido al apropiado para deformación por tensión plana.

La segunda es que las constantes de estas funciones deben ser determinadas experimentalmente, a partir de mediciones de laboratorio de la anisotropía de la carga de fluencia y/o el valor R (relación entre la deformación de anchura y la de grosor en un ensayo de tracción) para varias direcciones de deformación en la chapa. Típicamente, deben ser hechas cinco o más mediciones experimentales para evaluar las constantes de una función analítica de fluencia.

La segunda opción es el uso de la plasticidad del cristal para definir las propiedades de cada elemento. En esencia, esto significa la ejecución del cálculo de un simulador de punto de material por cada punto de integración de cada elemento, en cada iteración del FEA. Aunque el uso de funciones analíticas aumenta el tiempo de tratamiento del ordenador (CPU) según un factor de dos o tres, en comparación con el cálculo von Mises, el uso de la plasticidad del cristal totalmente acoplado puede aumentar el tiempo de la CPU varios órdenes de magnitud, y en la actualidad esto resulta práctico sólo para los modelos más pequeños, y no para la simulación de cualquier operación de conformación real.

Por tanto, sería deseable proporcionar un método para incluir la consideración de anisotropía en un FEA, sin tener que asumir el enorme coste que requiere un cálculo de la plasticidad del cristal completo por cada iteración (o incluso de cada décima o centésima de iteración) de un análisis. Sería también ventajoso que el método pudiese incluir una caracterización de la superficie de fluencia y endurecimiento, que estuviese definida en un espacio de tensión de seis dimensiones, simulado por el FEA.

Exposición de la invención

Por tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar un método mejorado para la conformación de una chapa metálica en varios artículos.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método que utilice modelos matemáticos (computacionales), para optimizar los diseños de herramientas y las operaciones de conformación, y proporcionar así las deseadas propiedades a los artículos conformados.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un modelo matemático que se base en técnicas de análisis de modelos finitos (FEA), y que tenga en cuenta las propiedades anisótropas de la chapa metálica, sin que se requiera un tiempo de cálculo excesivo.

El principal objeto de la presente invención es proporcionar un método para incorporar la anisotropía a un análisis de elemento finito, sin la penalidad normal en tiempo de la CPU para hacerlo, por separación de los cálculos de anisotropía, de los cálculos de elemento finito.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para fabricar un artículo, que comprende las operaciones de:

a) crear una pieza en bruto del material que tenga propiedades mecánicas anisótropas;

b) diseñar unas herramientas para la fabricación del artículo mediante la predicción de la fluencia y deformación de dicha pieza en bruto con el uso de un análisis de conformación, en el que se utiliza un análisis del elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado e independiente de las operaciones de deformación anisótropa de la pieza en bruto; y

c) conformación del artículo a partir de la pieza en bruto con el uso de las herramientas diseñadas en la operación b).

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema de ordenador que cuenta con un dispositivo de almacenamiento y una unidad de tratamiento conectada a dicho dispositivo de almacenamiento, en el que unos medios de programa están almacenados en el dispositivo de almacenamiento y están destinados a ser ejecutados por la unidad de tratamiento para predecir la fluencia y deformación de una pieza en bruto de material que tenga propiedades de deformación anisótropas, con el uso de un análisis de conformación en el que se utiliza un análisis del elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado e independiente de las propiedades de deformación anisótropa de la pieza en bruto.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un producto de programa de ordenador que tiene un medio de almacenamiento destinado a ser leído por un ordenador, y que incluye medios de programa almacenados en un medio de almacenamiento para predecir la fluencia y deformación de una pieza en bruto de material que tiene propiedades de deformación anisótropas, con el uso de un análisis de conformación en el que se utiliza un análisis de elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado e independiente de las propiedades de deformación anisótropa de dicha pieza en bruto.

En una realización pueden ser utilizadas las siguientes cuatro operaciones en un análisis de una operación de conformación:

1. Curvas de tensión (o compresión) uniaxial, y datos de la textura cristalográfica obtenidos experimentalmente de la chapa, son utilizados para calibrar las constantes en un simulador de punto de material de plasticidad de cristal apropiada. El simulador de punto de material puede ser utilizado entonces para generar unas curvas de tensión efectiva-deformación efectiva, para una cierta variedad de posibles líneas de deformación. Estas líneas formarán un juego con un límite superior y otro inferior.

2. El análisis del elemento finito se hace preferiblemente utilizando un sistema de coordenadas local, que sigue el movimiento del cuerpo rígido de la chapa durante la conformación. De este modo, el tensor de deformación plástica (o régimen de deformación) estará siempre definido en un sistema de coordenadas que consiste en direcciones paralelas a la de laminación, perpendiculares a la dirección de laminación, y a través del grosor de la lámina. Las operaciones una y dos definen la anisotropía necesaria para el FEA.

3. La línea de deformación debe ser determinada para cada elemento finito en cada operación convergente (o a intervalos predeterminados en el análisis). Esto puede conseguirse según una cierta variedad de formas, con aumento en la complejidad:

-por inspección de la geometría de la herramienta y de la operación de conformación (por ejemplo, las operaciones de laminación o de planchado); o

-por ejecución de una análisis isótropo con el uso de una única curva de tensión-deformación (es decir, tensión uniaxial) de la operación de conformación, y extracción de la requerida línea de deformación en una modalidad de tratamiento posterior por cada elemento; o

-por cálculo en cada operación convergente de análisis de un parámetro que depende del estado particular del tensor de esfuerzo para cada elemento.

4. Una curva apropiada de tensión-deformación para cada elemento se selecciona entonces de la familia de curvas descrita en el párrafo 1 anterior, En el caso más sencillo, el límite inferior es elegido para todos los elementos (con independencia de sus líneas reales). Esto proporciona un análisis de límite inferior con los límites inferiores, para las tensiones en la chapa y cargas herramentales. El siguiente nivel de complicación es definir grupos de elementos que tengan las mismas líneas de deformación (por ejemplo, un juego que comprenda la convexidad de una protuberancia), y asignar una de las curvas de tensión-deformación del juego descrito en el párrafo 1 anterior a cada grupo.

El procedimiento es análogo para definir las curvas de tensión-deformación que dependen de la temperatura en un modelo de elemento finito, con el parámetro que define la línea de deformación en el lugar de la temperatura.

El resultado es un modelo de elemento finito muy aproximado a los datos generados experimentalmente, y que requiere un tiempo de cálculo (CPU) mucho menor, en comparación con los métodos de la técnica anterior.

Todo lo expuesto así como otros objetivos adicionales, características, y ventajas de la presente invención se apreciarán en la descripción escrita y detallada que sigue.

Breve descripción de los dibujos

Los nuevos detalles que se consideran característicos de la invención se exponen en las reivindicaciones. No obstante, la propia invención, así como la modalidad de uso preferida y otros objetivos y ventajas de ella, se apreciarán mejor con referencia a la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa, leída en conjunción con los dibujos que se acompañan, en los que:

-la fig. 1 es una vista en perspectiva de un procedimiento de laminación utilizado para formar una chapa metálica con propiedades anisótropas, cuyas propiedades están incluidas en un análisis del herramental, ejecutado de acuerdo con la presente invención;

-la fig. 2 es una vista en corte de una herramienta destinada a formar el fondo de un bote a partir de una chapa de aleación de aluminio, y en la que el análisis del elemento finito se efectúa para optimizar el diseño de la herramienta y la operación de conformación con el uso del nuevo procedimiento para describir las propiedades del material anisótropo de la pieza en bruto, de acuerdo con la presente invención;

- la fig. 3 es una tabla que muestra el flujo de acciones lógicas para llevar a cabo el análisis de elemento finito (FEA) de un modelo de conformación de acuerdo con la presente invención, de modo que las propiedades anisótropas de la chapa metálica no están relacionadas con el análisis;

- la fig. 4 es un esquema de bloques de un sistema de ordenador, que puede ser destinado a llevar a cabo el FEA de acuerdo con la presente invención; y

- la fig. 5 es una tabla que muestra el flujo lógico de acciones en el diseño de la herramienta y la operaciones de conformación requeridas para producir una parte con propiedades óptimas, con el uso de modelo de plasticidad de acuerdo con la presente invención.

Mejores modalidades para la puesta en práctica de la invención

Con referencia ahora a las figuras, y en particular a la fig. 1, en ella se muestra la creación de una chapa metálica 10 mediante un procedimiento de laminación convencional. Como se expone en detalle más adelante, a partir de la chapa 10 pueden ser producidos varios artículos. Las operaciones de conformación y la actuación de dichos productos pueden ser optimizadas de acuerdo con la presente invención. La chapa 10 puede estar hecha, por ejemplo, de una aleación de aluminio laminado. Las propiedades mecánicas (deformación) de la chapa 10 son anisótropas, como resultado de las orientaciones de los cristales que forman la chapa. Por tanto, las propiedades mecánicas varían para direcciones diferentes en la lámina, como se indica con tres flechas en la fig. 1.

Con referencia a la fig. 2, una pieza en bruto 12 cortada de la chapa 10 es conformada en un artículo con el uso de la herramienta 14. El diseño de la herramienta y la actuación y propiedades del producto logrado pueden ser optimizadas mediante un FEA, de acuerdo con la presente invención. En la realización mostrada, una representación genérica de la herramienta utilizada para producir el fondo del bote, dicha herramienta 14 está compuesta en general por un cuño 18, un troquel (o bloque de abombamiento) 16, y un anillo de retención 20. La herramienta 14 puede incluir otros componentes convencionales tales como un vástago de empuje o pistón (no mostrado) unido al cuño 18, con lo que éste puede ser obligado a entrar en el troquel 16 para dar a la pieza en bruto 12 la forma deseada.

Los componentes de la herramienta 14 pueden estar construidos con el uso de materiales convencionales, particularmente acero de herramientas o carburo de wolframio. En esta puesta en práctica particular, la herramienta está diseñada para dar a la pieza en bruto 12 la forma de la base de un bote de bebida. No obstante, los expertos en la técnica apreciarán que la presente invención no se limita a este ejemplo, y que puede ser utilizada para diseñar herramientas para una amplia selección de productos acabados o partes componentes que tengan varias formas y tamaños.

La presente invención proporciona un nuevo modelo de cálculo para simular la deformación y fluencia de los materiales, en particular piezas en bruto de chapa metálica tales como la pieza en bruto 12. Este modelo puede ser utilizado entonces para optimizar el diseño de la herramienta y seleccionar las condiciones del material (tales como el grosor de la pieza en bruto).

Como antes se ha dicho, las técnicas de análisis convencional utilizan un análisis de elementos finitos (FEA) para modelar la plasticidad y conformabilidad. La presente invención mejora estas técnicas por incorporación de las propiedades anisótropas de la pieza en bruto en un modelo de elemento finito. El nuevo modelo de cálculo logra este efecto al separar los cálculos anisótropos del FEA, como se expone más adelante. El resultado es un modelo que no sólo se aproxima mucho a los datos generados experimentalmente, sino que requiere un tiempo de cálculo (CPU) mucho menor para completar aquellos modelos convencionales que simulan la conformación de la chapa anisótropa, y por tanto es mucho menos costoso llevarlo a cabo.

De acuerdo con una puesta en práctica ilustrativa de la presente invención, un cálculo de simulador de punto de material (MPS) es separado del FEA, lo que permite que un modelo de plasticidad de FEA isótropo capte anisotropía. Como antes se ha dicho, el objetivo del FEA es poder predecir la respuesta de un producto a las condiciones de carga exteriores, que con frecuencia conducen a una inestabilidad mecánica y pandeo o deformación total. Cuando se requiere una predicción de actuación validada, un modelo de conformación debe ser efectuado antes del modelo de actuación, con objeto de calcular el adelgazamiento del metal, los niveles de endurecimiento de trabajo y las tensiones residuales, antes de la imposición de la carga de ensayo de actuación.

Para ambos modelos, de conformación y de actuación, que juntos constituyen el FEA, la elección de la apropiada descripción del comportamiento del material es crítica para la capacidad predictiva del FEA. De acuerdo con una puesta en práctica ilustrativa de la presente invención, un calculo de simulador de punto de material (MPS) es retirado del FEA, lo que permite que un modelo de plasticidad isótropo (von Mises) capte la anisotropía del material.

Los cálculos de MPS requieren mediciones experimentales de la textura metalográfica, y al menos una curva de tensión-deformación, utilizada para calibrar la ley de endurecimiento en el MPS. El MPS así calibrado calcula un juego de curvas de tensión-deformación para varias líneas de deformación halladas comúnmente en las operaciones de conformación. Este juego de curvas tendrá unos límites bien definidos superior e inferior.

Por tanto, la curva apropiada para cualquier línea de deformación específica queda entre dos límites bien definidos. Los cálculos FEA requieren la definición de la geometría y recorrido de la herramienta (que se logra en general con el uso de un paquete apropiado de diseño auxiliado por ordenador CAD), la conexión entre la herramienta y la pieza en bruto (por ejemplo, la chapa que ha de ser transformada en un componente), la definición de las condiciones de límite entre la herramienta y la pieza en bruto, y lo que es más importante, la asignación de una curva de tensión-deformación a cada elemento.

De acuerdo con esta invención, la última operación puede ser hecha de dos formas: antes de efectuar el análisis de elemento finito, o durante el propio análisis. Para el primero, la curva apropiada de tensión-deformación para un elemento o grupo de ellos puede ser asignada por inspección y comprensión de la naturaleza general de la intersección de la herramienta con la pieza en bruto, o por ejecución de un análisis isótropo (antes del deseado FEA), para determinar la línea de deformación para cada elemento o grupo de ellos, y permitir así que una línea de tensión-deformación apropiada sea asignada a cada uno.

Alternativamente, la asignación de la curva de tensión-deformación apropiada puede ser actualizada en cada operación concluida, o a intervalos regulares en las operaciones que tienden al final, en el análisis por referencia al tensor de esfuerzo plástico del momento por cada elemento, para uno del juego de curvas tensión-deformación definidas anteriormente. El método expuesto de separar la anisotropía del material del FEA se resume en la fig. 3.

El nuevo modelo de cálculo de la presente invención puede ser llevado a cabo con el ejemplo de sistema de ordenador 30 de la fig. 4. Dicho sistema contiene una o más unidades de tratamiento central, CPU, s, con una cuantía apropiada de memoria de acceso aleatorio, RAM, y una cierta capacidad de almacenamiento tal como disco duro o cinta, dispositivos de entrada-salida para enlazar con unidades periféricas, tales como pantallas de visualización e impresoras.

El sistema puede ser dispuesto solo, por ejemplo una única estación de trabajo u ordenador personal, o puede consistir en un juego de CPU, s 32 enlazadas para el trabajo, incluido un servidor 34 (en general con múltiples CPU, s) y un cierto número de estaciones de trabajo individuales u ordenadores personales enlazados entre sí por una Ethernet o red de fibra óptica. Los cálculos de MPS y de FEA pueden ser efectuados sobre un programa lógico instalado sobre las CPU,s de la red, con el uso tanto de códigos de ordenador de tercera parte (por ejemplo, aunque sin limitarse a ellos, HKS Inc. Abaque, o LSTC LS-Dyna), o especialmente códigos escritos y desarrollados localmente.

Como antes se ha dicho, el nuevo modelo de cálculo aquí descrito es utilizado para optimizar las operaciones de conformación, diseño de herramientas, y actuación del producto. Este procedimiento se muestra en general en la fig. 5. Primero (50) es propuesto un diseño de herramienta específica para un artículo en particular. El procedimiento descrito en la fig. 3, ejecutado por el sistema de ordenador de la fig. 4, es aplicado entonces al diseño inicial (52). El artículo "virtual" cuya fabricación es simulada, es analizado luego en cuanto a actuación del producto (54). Si dicho producto no cumple con las condiciones (56), la herramienta y su método de trabajo deben ser diseñados de nuevo (58).

Por ejemplo, con referencia a la herramienta 14 de la fig. 2, si la presión inversa de la convexidad del fondo del bote "virtual" producida por la simulación de la conformación y determinada por el análisis de actuación fuera muy baja, la geometría del formador de la convexidad y/o el movimiento del cuño deberían ser alterados, y el FEA completo podría ser repetido. Las operaciones 50 a 58 son repetidas lo necesario hasta encontrar un diseño satisfactorio. Una parte esencial de procedimiento es la validación de las predicciones del modelo frente a un diseño (por lo general el inicial) de un componente de prototipo.

Este ejercicio de validación proporciona la confianza de que el modelo simula verdaderamente y con corrección las operaciones tanto de conformación como de actuación. Las modificaciones en las herramientas y en las operaciones de conformación pueden ser ejecutadas entonces con un grado razonable de confianza. Una vez completado el procedimiento de optimización descrito en la fig. 5, puede procederse a fabricar las herramientas de producción (60).

Aunque la invención se ha descrito con referencia a realizaciones específicas, esta descripción no significa que esté formada en sentido limitador. Varias modificaciones en las realizaciones descritas, así como en las realizaciones alternativas de la invención, serán evidentes para los expertos en la técnica, con referencia a la descripción de esta invención.

Por ejemplo, aunque la descripción anterior corresponde a chapa metálica, la presente invención podría ser utilizada también para predecir la deformación y conformabilidad de materiales no metálicos. Por tanto, se contempla que tales modificaciones puedan quedar dentro y como parte de la presente invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Aplicabilidad industrial

La realización del método de la presente invención puede ser utilizada en la industria de tratamiento de materiales.

Claims (21)

1. Un método de fabricación de un artículo (60), que comprende las operaciones de:

a) crear una pieza en bruto (12) de material que tenga propiedades mecánicas anisótropas;

b) diseñar una herramienta (14) para la fabricación del artículo mediante la predicción de la fluencia y deformación de la pieza en bruto con el uso de un análisis de conformación (52), en el que es utilizado un análisis de elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado y desvinculado de las propiedades de deformación anisótropa de la pieza en blanco; y

c) conformación del artículo a partir de la pieza en bruto con el uso de la herramienta diseñada en la operación b).

2. El método de la reivindicación 1, en el que la pieza en bruto es en general plana y está formada de chapa laminada que tiene propiedades mecánicas anisótropas.

3. El método de la reivindicación 2, en el que la chapa laminada es una chapa metálica (10), y el análisis de conformación incluye la operación de calcular la respuesta de una pequeña cuantía de dicha pieza en bruto con el uso de la teoría de la plasticidad del cristal.

4. El método de la reivindicación 3, en el que el análisis de conformación incluye las operaciones de:

- representar la pieza en bruto y la herramienta mediante mallas que tienen una pluralidad de elementos;

- definir un juego de curvas de tensión-deformación en función de la anisotropía de la pieza en bruto con el uso de un simulador de punto de material, de plasticidad de cristal;

- asignar una curva apropiada de tensión-deformación a partir del juego de cada elemento de la pieza en bruto; y

- ejecutar un análisis de elemento finito para simular la conformación del artículo y su actuación después de dicha conformación.

5. El método de la reivindicación 4, en el que la operación de definir una curva de tensión-deformación por cada elemento incluye la operación de asignar a cada elemento una curva que quede entre una curva de límite superior y una curva de límite inferior.

6. El método de la reivindicación 5, en el que en la operación de asignación se asigna a un elemento dado una curva particular seleccionada del juego de curvas predefinidas, en base a una línea de deformación de cada elemento respectivo.

7. El método de la reivindicación 5, en el que en la operación de asignación se asigna a un elemento dado una curva particular obtenida por interpolación entre dos curvas de un juego predefinido de ellas, en base a una línea de deformación recalculada en ese momento de cada elemento respectivo.

8. Un sistema de ordenador (30) que tiene un dispositivo de almacenamiento, y una unidad de tratamiento (32) conectada a dicho dispositivo de almacenamiento, con lo que los medios de programa son almacenados sobre el dispositivo de almacenamiento y están destinados a ser ejecutados por la unidad de tratamiento para predecir la fluencia y deformación de una pieza en bruto (12) de material que tenga propiedades de deformación anisótropa, con el uso de un análisis de conformación (52), en el que se utiliza un análisis de elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto junto con un análisis separado e independiente de las propiedades de deformación anisótropa de la pieza en bruto.

9. El sistema de ordenador de la reivindicación 8, en el que los medios de programa calculan la respuesta de una pequeña cuantía de la pieza en bruto con el uso de la teoría de la plasticidad del cristal.

10. El sistema de ordenador de la reivindicación 9, en el que los medios de programa: I) representan la pieza en bruto como una malla que tiene una pluralidad de elementos; II) predicen una línea de deformación por cada elemento con el uso de análisis de elemento finito (FEA); III) definen una curva de tensión-deformación por cada elemento mediante el cálculo de un simulador de punto de material (MPS por cada elemento con el uso de su respectiva línea de deformación; y IV) ejecutan otro FEA sobre los elementos con el uso de la respectiva curva de tensión-deformación de cada elemento.

11. El sistema de ordenador de la reivindicación 10, en el que los medios de programa definen también una curva de tensión-deformación por cada elemento, por asignación a cada elemento de una curva que queda entre una curva de límite superior y una curva de límite inferior.

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12. El sistema de ordenador de la reivindicación 11, en el que los medios de programa asignan la curva de tensión-deformación de límite inferior a cada uno de la pluralidad de elementos.

13. El sistema de ordenador de la reivindicación 11, en el que los medios de programa asignan también a un elemento dado una curva particular seleccionada de un juego de curvas predefinidas, en base a la línea de deformación de elemento respectivo.

14. El sistema de ordenador de la reivindicación 11, en el que los medios de programa asignan además a un elemento dado una curva particular obtenida por interpolación entre dos curvas a partir de un juego de curvas predefinidas, en base a una línea de deformación recalculada en ese momento de cada elemento respectivo.

15. Un producto de programa de ordenador que tiene un medio de almacenamiento destinado a ser leído por un ordenador, y que incluye medios de programa almacenados en el medio de almacenamiento para predecir la fluencia y deformación de una pieza en bruto (12) de material que tiene propiedades de deformación anisótropas, con el uso de un análisis de conformación (52) en el que se utiliza un análisis de elemento finito isótropo (FEA isótropo) de la pieza en bruto, junto con un análisis separado e independiente de las propiedades de deformación anisótropa de la pieza en bruto.

16. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 15, en el que los medios de programa calculan la respuesta de una pequeña cuantía de la pieza en bruto, mediante el uso de la teoría de la plasticidad del cristal.

17. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 16, en el que los medios de programa además: I) representan la pieza en bruto como una malla que tiene una pluralidad de elementos; II) predicen una línea de deformación por cada elemento con el uso de análisis de elementos finitos (FEA); III) definen una curva de tensión- deformación para cada elemento por ejecución de un cálculo de simulador de punto de material (MPS) por cada elemento utilizando su respectiva línea de deformación; y IV) ejecutan otro FEA sobre el elemento con el uso de la respectiva curva de tensión-deformación por cada elemento.

18. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 17, en el que los medios de programa definen también una curva de tensión-deformación para cada elemento, por asignación a él de una curva que queda entre una curva de límite superior y una curva de límite inferior.

19. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 18, en el que los medios de programa asignan la curva de tensión-deformación de límite inferior a cada uno de la pluralidad de elementos.

20. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 18, en el que los medios de programa asignan también a un elemento dado una curva particular seleccionada de un juego de curvas predefinidas, en base a la línea de deformación de cada elemento respectivo.

21. El producto de programa de ordenador de la reivindicación 18, en el que los medios de programa asignan también a un elemento dado una curva particular obtenida por interpolación entre dos curvas de un juego predefinido de ellas, en base a una línea de deformación recalculada en ese momento de cada elemento respectivo.