دانشکده ي مهندسي مکانيک
پايان نامه کارشناسي ارشد دررشته مهندسي مکانيک (گرايش طراحي کاربردي)
بررسي زوال ورق هاي غيرايزوتروپيک TWB تحت فرآيند هيدروفرمينگ
به کوشش
اميرحسين خسروي
استاد راهنما:
دکترعلي نايبي
بهمن ماه 1390
تقديم به بهترين بهانه هاي زندگي ام

پدر و
مادرم

سپاسگذاري
خداوند منان را شاکرم که با کرمش مرا پيشتيباني و با رحمتش مرا تاييد کرد.
اکنون که به ياري خداوند بزرگ اين رساله را به پايان رسانده ام، بر خود لازم مي دانم از کليه سروران وبزرگاني که مرا دراين عرصه ياري نمودند کمال تشکر را داشته باشم. دراين خصوص نهايت تشکر را ازجناب آقاي دکتر علي نايبي خواهم داشت که با الطاف خود، نه تنها براي بنده استادي والا بلکه در نقش يک برادر بزرگتر در زندگي ام بوده اند. و يک سپاسگذاري ديگر از اعضاي کميته، آقايان دکتر مجتبي محزون و دکتر محمد رحيم نامي وکليه کساني که به هر نحو مرا درتکميل اين رساله ياري نمودند.
درپايان ازخانواده عزيزم، بويژه پدر و مادر صبورم که بسياري از دشواري هاي بوجود آمده را برايم هموار ساخته وصميمانه حامي بنده بوده اند، نهايت سپاسگذاري را دارم.
و از خداوند متعال براي تمامي دوستان وعزيزان توفيق روزافزون را مسئلت مي دارم.
چکيده
بررسي زوال ورق هاي غيرايزوتروپيک TWB تحت فرآيند هيدروفرمينگ
به کوشش
اميرحسين خسروي
دراين تحقيق شکل پذيري وزوال TWB ها دردوگروه همجنس وغيرهمجنس بررسي شده است. درطي تحقيق ازچهارفلزمختلف آلياژهاي آلومينيوم 6111-T4، 5083-H18، 5083-O وفولاد دوفازي DP590 وازدو تست کشش کروي وتست کشش ساده تک محوره استفاده شده است. سپس روش نوين شکل دهي به نام هيدروفرمينگ را برروي TWB هاي غيرهمجنس بررسي نموده ايم. درتمامي مدل سازي هاي انجام شده ازنرم افزار المان محدود آباکوس و ازنمودارحدشکل دهي درپيش بيني زوال درورق ها کمک گرفته شده است و رفتار ورق هاي پايه نيز به صورت غيرايزوتروپيک فرض شده است. از آنجا که بررسي شکل دهي TWBهاي غيرهمجنس درمقايسه با TWBهاي همجنس بسيارپيچيده ترمي باشد وتغييرشکل وزوال ورق هاي پايه نيزدرآنها کمترقابل پيش بيني است، لذا دراين تحقيق بيشتر بر روي TWBهاي غيرهمجنس تمرکز شده وانتظارمي رود نتايج حاصله بسيارقابل توجه باشد.
فهرست مطالب
عناوين………………………………………………………………………………………..صفحه
1- مقدمه1
2- مروري برتحقيقات گذشته6
2-1- خواص مکانيکي TWBها11
2-1-1- تست کشش11
2-1-2- خواص کششي13
2-1-3- سختي14
2-2- شکل پذيري16
2-2-1- روش هاي تست شکل پذيري16
2-2-2- شکل پذيري TWB ها23
2-2-3- جريان ماده25
2-3- آناليزهاي زوال28
2-3-1- شکل هاي زوال28
2-3-2- معيارهاي زوال29
2-4- مدل سازي المان محدود TWBها32
2-4-1- مدل سازي ناحيه جوش32
2-4-2- مدل هاي سختي وتسليم ماده35
2-4-3- مدل سازي فرآيند شکل دهي37
2-5- شکل دهي به کمک فشارسيال(هيدروفرمينگ)38
3- تئوري41
3-1- تغييرشکل الاستيک- پلاستيک 41
3-1-1- تعريف مدل ماده42
3-1-2- استحکام ماده48
3-2- مدل هاي سختي50
3-2-1- مدل پلاستيک کامل50
3-2-2- مدل سختي ايزوتروپيک51
3-3- نسبت هاي تنش تسليم وخزش54
3-4- سطح تسليم55
3-4-1- سطح تسليم وان- مايسز55
3-4-2- سطح تسليم هيل55
3-4-3- تابع تسليم ايزوتروپيک56
3-4-4- تابع تسليم غيرايزوتروپيک57
3-5- قانون جريان59
3-6- تعريف رفتارتسليم غيرايزوتروپيک براساس نسبت هاي کرنش لنکفورد 61
3-6-1- غيرايزوتروپي عرضي62
3-6-2- غيرايزوتروپي صفحه اي63
3-6-3- غير ايزوتروپي کلي63
3-7- چشم اندازکلي براي مدل سازي زوال وآسيب65
3-7-1- آسيب وزوال در مواد چکش خوار66
3-7-2- سير پيشرفت آسيب67
3-7-3- معيارشروع آسيب براي شکست درفلزات68
3-7-4- معيارشروع آسيب براي ناپايداري تسليم درورق ها70
3-8- تماس81
3-8-1- سطوح تماس81
3-8-2- تعريف جفت تماس84
3-8-3- تعريف تماس کلي85
3-8-4- تعريف شبيه سازي تماس براساس سطح85
3-8-5- ميرايي درتماس ها86
4- خواص مکانيکي ومتالورژيکي87
4-1- مواد وجوشکاري87
4-2- خواص مکانيکي فلزات پايه وناحيه جوش90
4-3- رفتار غيرايزوتروپيک پلاستيک97
4-3-1- سطح تسليم Yld2000-2d98
4-3-2- سطح تسليم Hill’4899
4-4- نمودارحد شکل دهي101
4-5- شبيه سازي تست کشش کروي104
5- TWB هاي هم جنس110
5-1- مدل سازي خط جوش ودرنظرگيري رفتارايزوتروپي/ غيرايزوتروپي براي ورق هاي پايه113
5-2- مکان والگوي اولين زوال115
5-3- پيشرفت آسيب121
6- TWB هاي غيرهمجنس122
6-1- مکان والگوي اولين زوال124
6-2- پيشرفت آسيب128
7- تست هيدروفرمينگ130
7-1- مکان والگوي اولين زوال133
7-2- پيشرفت آسيب137
7-3- مقايسه دو روش شکل دهي مکانيکي وهيدروفرمينگ139
7-4- حرکت خط جوش143
8- تست کشش ساده تک محوره147
8-1- مکان والگوي اولين زوال152
8-2- پيشرفت آسيب157
9- نتيجه گيري وپيشنهادات160
9-1- جمع بندي ونتيجه گيري160
9-2- پيشنهادات162
مراجع164
فهرست جدول ها
عنوان……………………………………………………………………………………………صفحه
جدول (4-1): ترکيبات شيميايي فلزات پايه برحسب درصدوزني 88
جدول (4-2): ضخامت فلزات پايه وترکيبات ضخامت براي نمونه هاي جوش داده شده درTWB هاي هم جنس 89
جدول (4-3): ضخامت فلزات پايه وترکيبات حاصله براي نمونه هاي جوش داده شده درTWB هاي غيرهم جنس.89
جدول (4-4): خواص الاستيک نمونه هاي مورد استفاده درTWB هاي هم جنس 95
جدول (4-5): پارامترهاي سختي ايزوتروپيک درفلزات پايه ونمونه هاي مورد استفاده درTWB هاي هم جنس 96
جدول (4-6): ضرايب معادله تسليم غيرايزوتروپيک Yld2000-2d براي فلزات پايه 100
جدول (4-7): ضرايب معادله تسليم غيرايزوتروپيک Hill’48 براي فلزات پايه.100
جدول (5-1): نتايج شبيه سازي شده واندازه گيري شده بيشينه حدشکل دهي درتست کشش کروي.114
جدول (5-2): نسبت ضخامت ودرصد کاهش بيشينه حدشکل دهي.121
جدول (6-1): نتيج شبيه سازي شده بيشينه ارتفاع شکل دهي درتست کشش کروي.123
جدول (7-1): نتيج شبيه سازي شده بيشينه ارتفاع شکل دهي درتست هيدروفرمينگ.132
جدول (7-2): نتايج شبيه سازي شده بيشينه حدشکل دهي دوفرآيند شکل دهي مکانيکي وهيدروفرمينگ.139
جدول (8-1): کرنش مهندسي شبيه سازي شده وباراعمالي متناظرآن درلحظه زوال درتست کشش تک محوره.152
فهرست شکل ها وتصويرها
عنوان……………………………………………………………………………………………صفحه
شکل (2-1): نمايي ازفرآيند جوشکاري اصطکاکي.9
شکل (2-2): نمونه اي ازيک ابزارتوليدکننده اصطکاک درجوش اصطکاکي.10
شکل (2-3): تست Swift cup : الف) قبل ازشکل دهي ب) بعدازشکل دهي.18
شکل (2-4): نمونه هايي ازورق هاي تحت تست Swift cup.18
شکل (2-5): نمايي ازفرآيند تست کشش کروي.20
شکل (2-6): نمونه اي ازورق هاي شبکه بندي شده درتست کشش کروي.20
شکل (2-7): نمايي از ابزارآلات مورد استفاده درتست OSU.21
شکل (2-8): نمونه اي ازنمودارحد شکل دهي.22
شکل (3-1): پاسخ تنش- کرنش ماده درحالت وجودآسيب درماده.66
شکل (3-2): نمودارحدشکل دهي.72
شکل (3-3): ناحيه داراي نقص درمعيارزوال مارسينياک- کوزينسکي.76
شکل (3-4): انتقال نمودارحدشکل دهي برپايه کرنش (a) به نمودارحدشکل دهي ماسچنبورن- سون (b). مسيرخطي تغييرشکل به مسيرعمودي آن انتقال پيدا مي کند.81
شکل (4-1): ابعاد نمونه تست کشش طبق استاندارد KSB 0801.90
شکل (4-2): ابعاد سطح مقطع به ترتيب ازبالا به پايين براي نمونه هاي: الف) 6111-T4(SG) ب) 6111-T4(DG) ج) 5083-H18(SG) د) 5083-H18(DG) و) 5083-O(SG) ه) DP590(SG) ي) DP590(DG) 92
شکل (4-3): مقايسه نمودارهاي سختي فلزات پايه ونواحي جوش: a) 6111-T4 b) 5083-H18 c) 5083-O d) DP590 .94
شکل (4-4): نمودارهاي حدشکل دهي فلزات پايه وجوش هاي مربوطه: a) 6111-T4 b) 5083-H18 c) 5083-O d) DP590 .103
شکل (4-5): نمايي ازنمونه هاي مورد استفاده درتست کشش کروي.105
شکل (4-6): نمايي ازمدل مورداستفاده درتست کشش کروي: الف) ابعاد مورد نياز ب) مدل سرهم بندي شده درنرم افزار.106
شکل (4-7): نواحي تقسيم بندي شده ورق ها درتست کشش کروي: الف) نمونه200×200ميليمتر ب) نمونه 200×120ميليمتر.108
شکل (5-1): نمايي ازسه مدل مختلف مورد استفاده درخط جوش.111
شکل (5-2): نمايي ازشبکه بندي درنمونه هاي هم جنس درتست کشش کروي .الف) ورق هاي 6111-T4، 5083-O، DP590 ب) ورق 5083-H18.112
شکل (5-3): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در6111-T4(SG) درتست کشش کروي.117
شکل (5-4): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در6111-T4(DG) درتست کشش کروي.118
شکل (5-5): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در5083-H18(SG) درتست کشش کروي.118
شکل (5-6): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در5083-H18(DG) درتست کشش کروي.119
شکل (5-7): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در5083-O(SG) درتست کشش کروي.119
شکل (5-8): نتايج حاصله آزمايشگاهي وشبيه سازي شده (مدل C وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال در DP590 (SG)درتست کشش کروي.120
شکل(5-9): نمودارهاي پيشرفت آسيب درنمونه هاي: الف):6111-T4(SG,DG) ب)5083-H18(SG,DG) ج)5083-O(SG) د)DP590(SG).121
شکل (6-1): نتايج حاصله شبيه سازي شده (مدل B وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال درنمونه شماره (1) درتست کشش کروي.126
شکل (6-2): نتايج حاصله شبيه سازي شده (مدل B وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال درنمونه شماره (2) درتست کشش کروي.126
شکل (6-3): نتايج حاصله شبيه سازي شده (مدل B وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال درنمونه شماره (3) درتست کشش کروي.127
شکل (6-4): نتايج حاصله شبيه سازي شده (مدل B وغيرايزوتروپيک) ازاولين رخداد زوال درنمونه شماره (4) درتست کشش کروي.127
شکل (6-5): نمودارهاي پيشرفت آسيب در: الف) نمونه شماره (1) ب) نمونه شماره (2) ج) نمونه شماره (3) د) نمونه شماره (4).129
شکل (7-1): نمايي ازسطح اعمالي فشاردرتست هيدروفرمينگ.131
شکل (7-2): نتايج شبيه سازي نمونه شماره (1) درتست هيدروفرمينگ.135
شکل (7-3): نتايج شبيه سازي نمونه شماره (2) درتست هيدروفرمينگ.135
شکل (7-4): نتايج شبيه سازي نمونه شماره (3) درتست هيدروفرمينگ.136
شکل (7-5): نتايج شبيه سازي نمونه شماره (4) درتست هيدروفرمينگ.136
شکل (7-6): نمودارهاي پيشرفت آسيب درنمونه هاي TWB غيرهمجنس در تست هيدروفرمينگ:الف) نمونه شماره (1) ب) نمونه شماره (2) ج) نمونه شماره (3) د) نمونه شماره (4).138
شکل (7-7): نتايج شبيه سازي شده ازمکان والگوي اولين زوال دردوتست شکل دهي مکانيکي (سمت چپ) وشکل دهي هيدروفرمينگ (سمت راست). الف) نمونه شماره (1) ب) نمونه شماره (2) ج) نمونه شماره (3) د) نمونه شماره (4).142
شکل (7-8): نمايي ازگره هاي انتخابي براي حرکت خط جوش به ترتيب ازسطح بسترتا خط تقارن.144
شکل (7-9): نمودارهاي جابه جايي خط جوش : الف) نمونه شماره (1) ب) نمونه شماره (2) ج) نمونه شماره (3) د) نمونه شماره (4).144
شکل (7-10): نمودارهاي جابه جايي خط جوش : الف) شکل دهي مکانيکي ب) هيدروفرمينگ.145
شکل (8-1): نمايي ازسه نوع مختلف جوشکاري درTWB ها درتست کشش تک محوره.148
شکل (8-2): سطح مقطع نمونه هاي استاندارد نوع جوشکاري درتست کشش تک محوره.149
شکل (8-3): نمايي از شبکه بندي درنمونه هاي تست کشش تک محوره: الف) نوع ب) نوع ج) نوع.151
شکل (8-4): نتايج شبيه سازي شده ازمکان والگوي اولين زوال درتست کشش تک محوره درنمونه هاي با جوشکاري نوع.154
شکل (8-5): نتايج شبيه سازي شده ازمکان والگوي اولين زوال درتست کشش تک محوره درنمونه هاي با جوشکاري نوع.154
شکل (8-6): نتايج شبيه سازي شده ازمکان والگوي اولين زوال درتست کشش تک محوره درنمونه هاي با جوشکاري نوع.155
شکل (8-7): نمودارهاي تغيير باراعمالي درحين تغييرشکل درتست کشش تک محوره.156
شکل (8-8): نمايي ازپيشرفت پديده آسيب درچهارنمونه مختلف درتست کشش تک محوره: الف) نمونه شماره (1) ب) نمونه شماره (2) ج)نمونه شماره (3) د) نمونه شماره (4).157
شکل (8-9): نمايي ازپيشرفت پديده آسيب درسه نوع مختلف جوشکاري درتست کشش تک محوره: الف) نوع ب) نوع ج) نوع.158
فهرست نشانه هاي اختصاري
DG = Dissimilar Guages
DM = Dissimilar Material
DP = Dual- Phase
FLC = Forming Limit Curve
FLD = Forming Limit Diagram
FLSD = Forming Limit Stress Diagram
FSW = Friction Stir Welding
HAZ = Heat Affected Zone
HDST = Hemispherical Dome Stretch Test
HSLA = High Strength Low Alloy
IF = Interstitial Free
IHBF = Integral hydro- bulge forming
LDH = Limiting Dome Height
LDR = Limiting Draw Ratio
M-K = Marciniak- Kuczynski
MSFLD =Müschenborn- Sonne Forming Limit Diagram
OSU = Ohio State University
SG = Similar Guages
SM = Similar Material
TMB = Tailor Made Blank
TWB = Tailor Welded Blank
VPF = Viscous Pressure Forming
1- مقدمه
در سال هاي اخير، تقاضا براي كاهش وزن وهمچنين استفاده از ورق هاي فلزي با مقاومت بالا نظير آلياژهاي آلومينيوم، منيزيم وآهن ، بدلايل زيست محيطي واقتصادي،به طورمداوم درحال افزايش است. اين تقاضا در صنايع خودروسازي وهوافضا به طور مشهودي ديده مي شود. کارخانجات خودروسازي سعي درساخت خودروهايي با کاهش مصرف سوخت وآلودگي دارند که گاهي اوقات از طرف قانون لازم الاجرا است. درکنارصرفه جويي هايي که دراثر مصرف سوخت کمترحاصل مي شود، فاکتور ديگري براي وسايل سبک تر درنظرگرفته مي شود وآن کاهش صدمات به محيط زيست است. متعادل نمودن محيط زيست روز به روز درحال سخت تر شدن است واين به دليل استفاده ازتکنولوژي هاي نو بدون درنظر گرفتن هزينه هاي زيست محيطي آن ها بوده است.
امکان داشتن يک توزيع متنوع چه درجنس مواد وچه درخواص هندسي در يک قطعه مي تواند توزيع بهينه مواد را در آن قطعه فراهم آورده وباعث کاهش چشمگيروزن وهزينه شود. براي مثال، يک ورق باشرايط بارگذاري غير يکنواخت مي تواند ازدوقسمت که هرکدام ضخامت ياجنس متفاوت دارند ساخته شود به گونه اي که قسمت ضخيم تر(قوي تر) درناحيه با بارگذاري بيشتروقسمت نازک تر(ضعيف تر) درناحيه با بارگذاري کمتر جا داده شوند. 1TWBs به عنوان گونه اي از2TMBs درحدود دو دهه است که در صنعت خودروسازي کاربرد دارد اما اين تکنولوژي درصنعت هوافضا به ندرت استفاده شده است. لذا، صنعت هوافضا نيز مي تواند به مانند صنعت خودروسازي ازمزاياي اين تکنولوژي استفاده کند. ازمواردكاربرد TWB درصنعت خودرو مي توان به موارد زير اشاره كرد: سرشاسي ها، پنل هاي اطراف بدنه، ضربه گيرجلووعقب، مسلح كننده هاي درون درب ها، ستون اول ودوم، ريل هاي زير موتور، كف خودرو ، محفظه چرخ ها و… .از موارد كاربردTWB درصنعت هوايي ميتوان به ساخت پوسته هواپيما، دريچه بازديد خلبان و… اشاره كرد.ايده اصلي مفهوم TWB از آنجا پيدا شد که ورق هاي3 مورد استفاده درتوليد قطعات مختلف چه با کاربرد هوايي وچه زميني، ممکن است داراي ضخامت ها، جنس ها وصافي سطح هاي مختلف باشند. بنابراين TWB يک راه اتصال اين ورق هاي ناهمگون مي باشد. يكTWB معمولي ازتعدادي ورق كه ممكن است از نظرخواص مكانيكي، ضخامت وپوشش سطح مختلف باشند، تشكيل شده است وقبل ازشكل دهي به يكديگرجوش داده مي شوند. هنگامي كه يكTWB ايجاد مي شود، طراح قادراست كه ورق هاي بااستحكام مختلف رادرجاهايي به كارببرد كه خواص موردنياز، مد نظرمي باشند. اين روند درجوشكاري وشكل دهي قطعات ورقي ، به مااجازه انعطاف پذيري زيادي درطراحي محصول، استحكام سازه وبهبود رفتار ضربه اي آن محصول خواهد داد.علاوه برآن صرفه جويي قابل ملاحظه اي در وزن نهايي (بدليل كاهش مسلح كننده هاوكاهش هم پوشاني هادرهنگام جوش نقطه اي مونتاژ)، قيمت تمام شده، ابزارآلات ودستگاه هاي موردنياز، مونتاژ وانبارداري، هزينه هاي ساخت (بدليل كاهش قالب هاي كشش، كاهش جوش هاي نقطه اي درپايين دست وكاهش دورريز ورق ها)خواهدشد و درعين حال استحکام نسبت به ضربه سازه بدليل افزايش استحکام4 درهنگام جوش ليزر، سيمي و اصطكاكي حفظ خواهد شد ودركنار آن دقت ابعادي ومقاومت به خوردگي بالاتر خواهد رفت. کاهش وزن دراثراستفاده از TWB درصنعت خودروسازي به طورمعمول بين 11-6% تخمين زده مي شود. توزيع بهينه ي مواد درسازه هاي هوايي حتي مهم ترازخودروسازي نيز است چرا که نه تنها باعث کاهش وزن خود قطعات مي شود، بلکه باعث استفاده ازبال هاي کوچک تر،موتورکوچک ترو… نيز خواهد شد که درنهايت باعث کاهش چشمگيروزن کلي خواهد شد. علاوه بر آن، تکنولوژي TWB باعث حذف نياز به ماشين کاري قطعات آلومينيومي وکاهش دور ريز مواد وانرژي مورد نياز براي ماشين کاري خواهد شد. آلياژ پرقدرت آلومينيوم5 که درتوليد سازه ها در صنعت هوافضا بسيار استفاده مي شود، قابليت جوش پذيري را نداشته وبه دماي بالاي جوش بسيار حساس است. اين دماي بالا بر روي رفتاردمايي رسوبات آلياژآلومينيوم تاثير گذاشته وميکروساختارآن ها رابه هم مي زند. نکته ديگر، سختي خود جوش دادن آلياژهاي نا همگون است که انعطاف پذيري TWB را محدود مي کند.
بيشترورق هاي مورداستفاده درTWB، بدليل اكستروژن6 يا نورد7 خاصيت غيرايزوتروپيك درصفحه ورق دارند به نحوي كه استحكام صفحه اي در راستاي نورد وعمود برآن متفاوت است. اين غيرايزوتروپي بعدا در شكل دهي بسيارتاثير گذار خواهد بود به نحوي كه درشكل سطح تسليم وتوزيع كرنش طي شكل دهي بسيار موثراست. به همين دليل درنظر گرفتن غيرايزوتروپي فلزات پايه وخط جوش وناحيه تحت تاثيرحرارت8 و همچنين جهت نورد نسبت به خط جوش و بارگذاري بسيار مهم است. علاوه برآن درساختTWBها، ممکن است دوورق مورداستفاده چه ازنظرجنس وچه ازنظرضخامت متفاوت بوده واين امر، هم پروسه جوشکاري وهم پروسه شکل دهي را به دليل ايجاد تمرکزتنش بسيارسخت ترمي کند.
اهميت شكل دهي فلزات به كمك فشار سيال در سال هاي اخير به طورقابل ملاحظه اي درحال افزايش است واين بخاطر مزاياي فراوان اين روش در مقايسه با ديگر روش هاي معمول است. اين مزايا عبارتند از : شكل دهي وشكل پذيري بهتر، بهبود صافي سطح ،بهبود استحكام سازه اي، توانايي شكل دهي مدل ها وهندسه هاي پيچيده، توزيع يكنواخت تركرنش،كاهش قطعات و وسايل براي انجام پروسه ودرنتيجه عمليات وخرج كمتر، عمليات ثانويه كمتر، دورريز كمتر، كاهش قيمت مخصوصا در اجسام غير متقارن، كاهش برگشت فنري9. اما اين روش معايبي نيز دارد كه عبارتند از: زمان سيكل طولاني براي هرقطعه، نياز به دستگاه هاي گران قيمت ونبود دانش پايه اي زياد براي طراحي پروسه وابزارآلات. لذا با توجه به مطالب گفته شده دربالا، استفاده از اين روش درشکل دهي TWBها مي تواند به عنوان يک پتانسيل درافزايش ارتفاع شکل دهي مورد ارزيابي قرارگيرد.
تست شکل پذيري درTWB ها، تحت تاثيرپارامترهاي مختلفي ازجمله پديده جريان ماده10، کنترل جريان ماده، توزيع تنش وکرنش،ضخامت نسبي دو ورق ورفتار برگشت فنري هرکدام ازورق ها مي باشد. لذا تست کشش کروي11 به عنوان يکي از تست هاي دوبعدي برروي TWBها دراين تحقيق استفاده خواهدشد وبه وسيله آن، مکان وزمان اولين زوال12 بررسي خواهد شد. جهت برآوردحد نهايي شکل دهي درهرپروسه شکل دهي، نياز به يک معيارزوال است که اين معياريا مستقيما از آزمايش بدست آمده ويا با استفاده ازمعادلات تحليلي موجود، اين حد نهايي پيش بيني مي شود که درصورت استفاده ازهرکدام ازاين روش ها، ميتوان با مقايسه بين معياروآنچه درمدل سازي اتفاق مي افتد، شروع وپيشروي اولين زوال موردپيش بيني قرارگيرد. بنابراين، دراين تحقيق ابتدا با استفاده از يک معيارآزمايشگاهي معروف به FLD ومدل سازي هندسي نمونه هايي ازTWB ها با قيد همجنس بودن ورق هاي به کار رفته، زوال درTWB ها را بررسي خواهيم کرد. همانطور که اشاره شد، مدل سازي دقيق تر نواحي مختلف TWB به عنوان يک سازه واعمال خواص متالورژيکي ومکانيکي دقيق ترباعث بهبود پيش بيني ها خواهد شد. بنابراين دراين تحقيق جهت تصديق روش المان محدود به کارگرفته، ابتدا TWB هاي همجنس را با سه نوع مختلف مدل سازي جوشکاري بررسي کرده وسپس با تغييرفرضيه تسليم ازحالت ايزوتروپيک به حالت غيرايزوتروپيک براي ورق هاي پايه، تاثيرآن را برروي دقت پيش بيني در مدل سازي ها مورد ارزيابي قرارخواهيم داد. سپس با توجه به نکته اشاره درمورد TWB هاي غيرهمجنس که تغييرشکل آنها اندکي متفاوت ترازنمونه هاي همجنس است، نمونه هاي غيرهمجنس را ازبين دوفلزپايه متفاوت ازبين فلزات همجنس استفاده شده درگروه TWB هاي همجنس، رفتار تست کشش کروي را درTWB هاي غيرهمجنس مورد ارزيابي قرارخواهيم داد. درنهايت با توجه به پتانسيل هايي که درروش شکل دهي هيدروفرمينگ به آن اشاره شد، تاثير اين روش را برشکل دهي TWB هاي غيرهمجنس بررسي خواهيم کرد.
يکي ازپارامترهايي که درشکل پذيري TWB ها بسيار موثر مي باشد، زاويه بين خط جوش وجهت نورد ورق هاي مورد استفاده درTWB است. آنچه مسلم است جهت نورد ورق داراي استحکام بيشتري درمقايسه با جهت عمود برنورد است. لذا مي تواند به عنوان يک فاکتورمهم درهنگام انجام عمليات جوشکاري ورق ها درنظرگرفته شود. لذا دراين تحقيق با بررسي سه نوع مختلف جوشکاري طولي، عرضي ومورب، استحکام وچکش خواري نمونه هاي غيرهمجنس TWB هاي اشاره شده درقبل را ارزيابي خواهيم کرد.
2- مروري برتحقيقات گذشته
TWB مفهومي است که بوسيله انجمن شکل دهي ارائه داده شد. دراين مفهوم، ورق ها قبل ازاعمال شکل دهي با استفاده ازتکنيک هاي مدرن جوشکاري به يکديگرجوش داده مي شوند. درازاي اين کار، توزيع بهينه ضخامت، استحکام و… ميسرخواهد بود. TWB مزاياي زيادي نظيرکاهش قيمت توليد، کاهش وزن وبهبود عملکردسازه اي را براي مهندسان به همراه داشته اند وبه دليل همين مزايا است که TWBها داراي توجه خاصي ازسوي صنايع خودروسازي وهوافضا بوده اند. امروزه، تعدادي ازقطعات اتومبيل ها بوسيله تکنولوژي TWB ساخته مي شود. تاريخچه اين تکنولوژي به سال1980 برميگردد ومطالعات زيادي ازآن زمان تاکنون براي کشف گزينه هاي بيشتري ازمواردکاربرد آنها انجام شده است. اگرچه TWB ميتواند ازنگاه هاي مختلفي مرورشود اما دراين فصل، سعي مي شود که مروري جامع ازمکانيک TWB ها ازديد ماکروسکوپيک آورده شود وجزييات آن ها به قسمت مربوطه واگذارمي شود.TWB به نسبت، مفهومي جديد درشکل دهي فلزات مي باشد. درساخت TWB ها، يک قطعه يا محصول سازه اي با استفاده از اتصال ورق هاي فلزي مختلف که مي توانند ازنظر ضخامت، جنس ويا صافي سطح مختلف باشند توليد مي شود ونکته آنجا است که اتصال(جوشکاري) قبل ازشکل دهي انجام مي شود.Rooks [1] ازپيشگاماني بود که يک تاريخچه اي ازتکنولوژي TWB ها داده است. همانطور که درمقاله آقاي Rooks آمده است، اولين TWB حقيقي در حدودسال 1985 توليد شده است. درآن سال،Thyssen، يک شرکت مهندسي جوش سنگ آلماني با همکاري Rofinisinar، يک شرکت جوش ليزر، يک سيستم جوش ليزري را براي توليد بدنه زيرين آئودي100 بنا نهادند. قبل ازآن زمان(درسال1982)، استفاده آزمايشگاهي بسيارکمي ازورق هاي جوش داده شده بوسيله ليزردرتاسيسات توليديRover Swindon براي توليدقطعه اي که براي اتومبيل مونتگو نيازبود، وجود داشت. تکنولوژي TWB تقريبا به طورهمزمان دراروپا، ژاپن وآمريکا پيشرفت کرده است به نحوي كه رشدآن درآمريكاي شمالي، اروپاوژاپن حدود30-25% درسال بوده است.از اين منظر اروپائيان سعي در بهبود سازه ها نظير ريل ها، ستون ها ونرده ها داشته اند درحالي كه آمريكاي شمالي بيشتربه TWB ها درجهت كاهش وزن توجه داشته اند. همانطور که Kusuda وهمکاران [2] صحبت کرده اند، شرکت تويوتا از سال 1985 شروع به استفاده از TWBکرده است.
تنها آلياژهاي آلومينيوم وفولاد در تحقيقات گسترده ي پيشين برروي TWB ها، مطالعه شده اند. درکنار آلياژهاي فولاد، که بيشتردرصنعت خودروسازي کاربرد دارند، اخيرا تمايلات جديدي براي استفاده ازآلياژهاي سبک آلومينيوم درماشين ها ايجاد شده است واين به خاطر چگالي کم آلياژهاي آلومينيوم درمقايسه باآلياژهاي فولاد مي باشد.از فلزات پركاربرد درصنعت خودرو شامل درجات مختلف فولادIF13، فولاد دوفازي14، فولاد با مقاومت بالا وآلياژكم15 ودرصنعت هوايي آلومينيوم ومنيزيم مي باشندکه درميان آلياژهاي آلومينيوم، سري هاي5000و6000 ازتعدد بيشتري درتحقيقات برخوردار بوده اند واين به خاطرکاربرد بيشترآنها درصنعت خودروسازي است. ازخواص آلومينيوم، پتانسيل كاهش وزن فراوان دركنارخواص مكانيكي خوب، شكل پذيري ومقاومت به خوردگي بالا وچگالي كم مي باشد كه دركنار فولاد باخواص مكانيكي وشكل پذيري خوب وجوشكاري عالي، مي توانند ازلحاظ اقتصادي بسيارموثر باشند چه بسا كه اين تركيبTWB درصنايع خودروسازي وهوافضاكاربرد فراوان دارند. براي مثال استفاده ازآلومينوم درشاسي خودروآئودي باعث كاهش جرم 200كيلوگرم و درخودرو فورد تورس 2010 باعث كاهش 450 كيلوگرم شده است.
انتخاب روش جوشکاري مناسب درتوليد TWB ها بسيارمهم مي باشد. شرکت هوندا درسال1967 توليد زودهنگامي از TWBداشت که محصول آن ازپنج قطعه جدا ازهم ساخته شده بود، که بوسيله جوش گاز بي اثرتنگستن به يکديگرجوش داده شده بودند[1]. اما بدليل اعوجاج بد ناشي از حرارت در محصول، آزمايش با شکست روبرو شد. بدليل نبود تکنولوژي هاي مناسب جوشکاري، توليد تکنولوژي TWB تا ظهور جوشکاري تير ليزري16 به تاخير افتاد.
انواع مختلفي از روش هاي جوشکاري مي توانند درساخت TWB ها به کاربرده شوند. در ميان روش هاي جوشکاري، جوشکاري تيرليزري وجوشکاري سيم شبکه اي ازتوجه بيشتري برخوردارند. براساس يک گزارش، هردوليزرCO2 يا Nd:YAG تقريبا در99% ساخت TWB ها به کاربرده شده اند[3]؛ اگرچه روش هاي ديگرجوشکاري نظيرجوش اصطکاکي17، جوش تيرالکتروني18 و جوش القايي19 نيز مي توانند به کاربرده شوند[4]. جوشکاري ليزري روش جوشکاري غالب براي آلياژهاي فولاد وروش جوشکاري اصطکاکي معمولا براي آلياژهاي آلومينيوم استفاده مي شوند. البته مشکلات زيادي برسرراه ساخت TWB ها به خصوص براي ورق هاي ازجنس آلياژهاي آلومينيوم وجود دارد واين به خاطرشکل پذيري وجوش پذيري کمتر آنها با روش هاي معمول جوشکاري است. ازاين رو به عنوان يک تکنولوژي جوشکاري جديد براي TWB ها، جوش اصطکاکي براي اولين باردرسال 1991بوسيله موسسه جوشکاري درکمبريج براي آلياژهاي آلومينيوم پا به عرصه ظهورگذاشت. دراين روش جوشکاري، دوورق به صورت لب به لب کناردر يکديگرقرار گرفته ومحکم به هم متصل نگه داشته مي شوند. سپس بوسيله ابزار توليد کننده اصطکاک، حرارت ايجاد شده وسپس جريان مواد توليد صورت مي گيرد وبا حرکت اين ابزار، کل خط مورد نظر جوش طي مي شود وتوليد باند جامدي درمرز دوفلز پايه مي کند. درشکل (2-1) نمايي ازيک فرآيند جوشکاري اصطکاکي ودرشکل (2-2) نمونه اي ازيک ابزارتوليدکننده اصطکاک نشان داده شده اند. دراين فرآيند بدليل چرخش ابزارجوش، خواص ناحيه جوش درطرف چپ وراست ابزار متفاوت بوده وتوليد دو ناحيه پسرو20 وناحيه پيشرو21 مي کند. جوش اصطکاکي داراي مزيت هاي زيادي دربين ديگر روش هاي معمول جوشکاري ذوبي دارد که مي توان به بازرسي کلي کمتر، مصرف انرژي بسيارکمترو توانايي آن درجوشکاري ورق هاي ضخيم با حداقل يا بدون تخلخل مي باشد [5]. براساس کارهاي L.Clapham وهمکاران [6]، درجوش اصطکاکي بدليل حرارت کم توليدشده، تنش هاي پسماند بسيارکم بوده وعملا درنظر گرفته نمي شوند اما درجوش ليزربدليل حرارت زياد، اين تنش ها قابل ملاحظه بوده ورند والگوي خاصي نيز ندارند.
شکل (2-1): نمايي ازفرآيند جوشکاري اصطکاکي[7].
شکل (2-2): نمونه اي ازيک ابزارتوليدکننده اصطکاک درجوش اصطکاکي[8].
با شروع دهه 80، تکنولوژي TWBمورد توجه بيشتري قرارگرفت ومقالات مرتبط با آن به سرعت رشد کردند. ازآنجا که امکان پوشش همه مطالب دريک فصل به تنهايي وحود ندارد، بنابراين دراين فصل تنها به مرور مقالات مرتبط با مکانيک ماکروسکوپيک TWBها پرداخته مي شود. براي مرورکلي TWB ها ازديد تکنولوژيک به [8] مراجعه شود. تکنولوژي هاي بسيارجديدتر جوشکاري، نظير جوش اصطکاکي، به طورکافي دراين بازبيني پوشش داده نشده است؛ براي مرور به روزتري ازجوشکاري اصطکاکي وپروسه انجام آن به [9] مراجعه شود. تکنولوژي TWB هاي ساخته شده ازآلومينيوم جديدتربوده وبيشترعناوين بررسي شده، اين تکنولوژي رابه خوبي پوشش نداده اند. براي مرورجامعي ازفرآيندها، پارامترها ومطالب علم موادي مرتبط با جوشکاري ليزري آلياژهاي آلومينيوم به [10و11و12] مراجعه شود.
2-1- خواص مکانيکي TWBها:
2-1-1- تست کشش:
اين حقيقت که امکان وجود ضخامت ومواد مختلف دريک ورق تنها وجود دارد، باعث ايجاد توزيع غيريکنواخت کرنش ها وتنش ها در TWB خواهدشد. بنابراين فرض توزيع يکنواخت کرنش که پايه بسياري ازتکنيک هاي رايج اندازه گيري کرنش، نظيرکرنش سنج ها22، است ديگرکارساز نبوده ونياز به نمونه هايي جهت تست کشش درTWB است.
يک نکته مهم درتست TWB، اندازه نمونه است. اندازه نمونه بستگي به پارامتري دارد که نياز به تست دارد؛ اتصال يا جوش. اگرهدف تست اتصال است، نمونه بايد شامل هم جوش باشد وهم فلزات پايه. دراين مورد، اندازه نمونه به قدري بزرگ است که به اندازه نمونه استانداردASTM E8 باشد. اگر هدف تست خود جوش است، تنها ماده جوش مي بايست درگلويي23 حضورداشته باشد. Wild و همکاران [13] نشان دادند که تنها نمونه هاي ريزاندازه 24 (که کوچکتر ازنمونه هاي استانداردASTM E8 هستند) مي توانند نتايج قابل اعتمادي را بدهند. آنها استدلال کردند که اين به خاطرتغييرات نتايج حاصله از جوش درتغييرشکل کشي است که با افزايش اندازه نمونه کاهش مي يابد اما به جاي آن، نمونه هاي استاندارد چکش خواري فلزجوش رادست بالا تخمين مي کند[14و15]. هنگامي که اندازه نسبي جوش در ناحيه گلويي افزايش مي يابد، نمودار تنش- کرنش نمونه به سمت نمودارتنش- کرنش فلز جوش ميل مي کند[13]. بنابراين بسياري ازمحققان ترجيح داده اند که ازنمونه هاي آزمايشگاهي کوچک[13و16] يا حداقل اندازه[17] استفاده کنند. نمونه باحداقل اندازه به اندازه اي کوچک است که مارا مطمئن مي کند که تنها فلزجوش درناحيه گلويي موجوداست، نشان داده مي شود که درصورت استفاده ازاين روش، خواص قابل اعتمادي ازجوش بدست مي آيد[17]. بااين وجود، مشکلات زيادي مرتبط با اين نمونه باحداقل اندازه وجود دارد.مثلا به کارگذاري اين نمونه آسان نيست. با وجوداين مشکلات، روش هاي ديگري براي اندازه گيري خصوصيات کششي فلزجوش پيشنهاد مي شود. قانون ترکيب25 يکي ازاين روش هاست که تنها براي نمونه هاي با جوش طولي کاربرد دارد. دراين روش فرض مي شود که کرنش طولي درامتداد نمونه جوش داده شده کاملا يکنواخت است وبارطولي بين فلز پايه1و2وفلزجوش به صورت زيرتقسيم مي شود:
(1-2)
اگر استحکام وضريب سختي26 فلزات پايه معلوم باشند، تنش ميانگين درفلزجوش،، به قرارزيراست:
(2-2)
که ، کرنش طولي يکنواخت و،و(i=1,2) به ترتيب ضريب سختي، استحکام وسطح مقطع فلزات پايه مي باشند وسطح مقطع ناحيه جوش است. قانون ترکيب توسط بعضي ازمحققان جهت بدست آوردن نمودارتنش-کرنش TWB ها استفاده شده است[13و16و18و19]. مهمترين مشکل اين قانون، بدست آوردن سطح مقطع ناحيه جوش است. اندازه گيري هاي سختي ميکروني27 مي تواند دربدست آوردن اين اندازه کمک کند. يک ويرايش کامل ترازاين روش که مي تواند براي هردونمونه هاي طولي وعرضي کابرد داشته باشد بوسيله آقايان Liu وChao [20] منتشر شده است. يک روش جديد که اخيرا براي اندازه گيري خواص مکانيکي موضعي در TWB استفاده مي شود، استفاده از روش هاي بهينه سازي بدون تماس28 نظير تکنيک 29DICاست. DIC از عکس برداري ديجيتال براي رديابي الگوي مرکبي که به صورت غيرمنظم روي سطح نمونه قبلا اعمال شده است، استفاده مي کند. بعد از آزمايش، يک برنامه کامپيوتري عکس هاي ديجيتالي که درطي آزمايش به صورت موفقيت آميز گرفته شده اند را با هم مقايسه کرده والگوي مرکبي عکس ها رااصلاح مي کند. سپس کرنش هاي موضعي مي توانند با استفاده ازمحاسبه ي جابجايي الگوهاي مرکبي بدست آيند.DIC بوسيله محققان زيادي استفاده شده است [25-21].
2-1-2- خواص کششي:
خواص مکانيکي کلي TWBمعمولا با استفاده از نمونه هاي تست آزمايشگاهي که شامل نواحي مختلف جوش مي شود، بدست آورده مي شود؛ نمونه ها ممکن است شامل فلزات پايه باشند يانباشند. اين گروه ازآزمايشات اطلاعاتي از TWB را به عنوان يک کل مي دهند وبه طوروسيعي درمطالعات استحکام وچکش خواري TWBها استفاده شده اند. درحالي که استحکام موادي که جوشکاري برآن ها تاثيرگذاراست بسياروابسته به فلزات وپارامترهاي جوشکاري است. نشان داده شده است که مقاومت بعدازجوشکاري بعضي ازفولادها نظيرSPCC(يک فولادسرد نوردشده بادرجه کربن پايين) درهمان سطح استحکام فلز پايه باقي مي ماند واين مستقل ازروش جوشکاري است[28-26]. اين امربراي آلومينيوم هاي حرارت ديده30 نيز صادق است؛ اگرچه آلياژهاي رسوب- سختي آلومينيوم31 خواصشان درطي جوشکاري تغييرمي کند وتمايل به داشتن استحکامي پايين ترازفلزات پايه اوليه دارند واين به خاطرازهم پاشيدگي ودرشت شدن رسوبات است[31-29]. هرجاکه ذوب شدن دوباره اتفاق بيفتد، مثلا درجوش ليزري، يا اگرماده دچارتبلورديناميکي شود، مثلادر جوش اصطکاکي، اندازه دانه ها درناحيه جوش ممکن است با اندازه دانه ها درفلزات پايه تفاوت داشته باشد. اين تفاوت دراندازه دانه ها موجب تفاوت درتنش تسليم ودرنتيجه استحکام مواد مي شود[31]. تنش تسليم واستحکام کششي TWB بستگي به جهت خط جوش نيزدارد. Seo وهمکاران [32] گزارش داده اند که تنش تسليم واستحکام کششي نمونه هايي32 که به صورت طولي به يکديگر جوش داده شده اند، 12% بهترازنمونه هايي است که به صورت عرضي به يکديگرجوش داده شده اند. آزمايشات نشان داده اند که چکش خواري TWB بعد ازجوشکاري کاهش مي يابد. اين کاهش چکش خواري شديدا وابسته به مثلا روش جوشکاري[29]، جهت خط جوش[33]، اندازه ناحيه جوش درسطح مقطع نمونه[14] ونسبت ضخامت دو ورق[31] است. Miles وهمکاران [29] نشان دادند که TWB باجوش اصطکاکي داراي چکش خواري بهتري نسبت به جوشکاري گازتنگستن است. Davies وهمکاران [15] استدلال کردند که افزايش تخلخل درفلز جوش وافزايش اندازه سطح جوش در سطح مقطع نمونه باعث کاهش چکش خواري خواهدشد. Cheng وهمکاران [33و28] نشان دادند که TWBساخته شده از5754-O که به صورت عرضي جوش داده شده اند داراي چکش خواري بهتري نسبت به جهت طولي هستند [33] و نسبت ضخامت کوچکترنيز باعث بهبود چکش خواري خواهدشد.
2-1-3- سختي:
تست سختي اغلب به عنوان يک تکنيک تست مکانيکي غيرمستقيم استفاده مي شود. دريک صحبت کلي، مواد باسختي بيشتر، محکم تروبا استحکام بيشترهستند يعني داراي تنش تسليم بيشتر، شکننده تر وداراي تغيير شکل کمترتا سرحدشکست هستند[34]. مطالعات زيادي نشان داده اند که سختي ناحيه کنارنوارجوش درTWBها دراثرجوشکاري به اندازه قابل توجهي تغييرمي کند [13و27و28و31و32و37-35]. اين تغييرات درسختي وتوزيع آن با پارامترهايي نظير روش هاي مختلف جوشکاري [37]، فلزات پايه [35] ونسبت ضخامت [28] تغيير مي کند. مثلا براي فولاد مطالعات نشان داده اند که دربيشتر موارد سختي درناحيه جوش افزايش مي يابد [13و27و28و32و35و37]. اگر چه اين اين افزايش بستگي به روش جوشکاري وخصوصيات مواد دارد. در جوشکاري ليزري اين افزايش بين 25% [32] تا50% [28] گزارش شده است. اين افزايش همچنين مي تواند مي تواند وابسته به مقدارکربن نيز باشد [35]. ناحيه افزايش سختي مي تواند عرضي درحدود دهها ميليمتر تا چندميليمتر بسته به ماده وروش جوشکاري داشته باشد [35]. همچنين نوع گرماي ورودي دراين موضوع بسيارموثراست، زيرا يک گرماي ورودي متمرکز، مثلا درجوش ليزري، باعث ايجاد يک ناحيه سختي تنگ تر درمقايسه با يک روش ديگربا تمرکز کمترنظيرجوش MIG مي شود[37].
آلياژهاي آلومينيوم را مي توان در دودسته حساس به حرارت وغيرحساس به حرارت تقسيم بندي کرد[9]. درميان سري هاي استاندارد آلياژهاي آلومينيوم، سري هاي2000،6000و7000 به طورکلي حساس به حرارت هستند درحالي که سري هاي 1000،3000،4000و5000 به طورکلي به حرارت حساس نيستند. تاثيرجوشکاري نيز براين دو دسته مسلما متفاوت خواهد بود. آلياژهاي حساس به حرارت به طورمعمول دچارازهم پاشيدگي ودرشت شدگي قابل ملاحظه اي بعدازجوشکاري با دماي بالا مي شوند. اين نتايج باعث کاهش شديد استحکام بعد ازجوشکاري ليزري [30و31] يا GTAW [29] مي شود وبنابراين کاهش شديد سختي درناحيه جوش وناحيه تحت تاثيرحرارت راسبب مي شود. بعضي ازآلياژهاي غيرحساس نظير5182-O ممکن است دچار افزايش سختي کمتري درناحيه جوش بعد ازجوشکاري اصطکاکي شوند واين به خاطرتبلور مجدد دانه ها وکارسختي پسماند مي باشد[29].

2-2- شکل پذيري
2-2-1- روش هاي تست شکل پذيري:
ازآنجا که شکل پذيري TWB ها تحت تاثيرجوشکاري قرار مي گيرد، لذا تست هاي آزمايشگاهي جهت آناليز شکل پذيري آنها مورد نياز است. تست هاي شکل پذيري دردوگروه کلي گنجانده مي شود: تست هاي ذاتي33 وتست هاي شبيه سازي شده.
تست هاي ذاتي، خواص مواد را اندازه مي گيرند. نتايج تست هاي ذاتي مستقل ازاندازه نمونه، پارامترهاي دستگاه،ضخامت، مشخصات سطح نمونه وروغن کاري است. مثال هايي از تست هاي ذاتي شامل تست کشش، تست تورم، تست سختي، تست کششي کرنش صفحه اي وتست کشش دوطرفه مارسينياک است. تست هاي شبيه سازي شده اطلاعاتي را فراهم مي کنند که وابسته به پارامترهاي پروسه اي نظير ضريب اصطکاک وهندسه هستند. بنابراين نتايج بدست آمده مربوط به نوع خاصي ازپروسه شکل دهي وهندسه است. مثال هايي ازتست هاي شبيه سازي شده اين چنين اند[38]:
تست Olsen، تست Erichson، تست ارتفاع حدگنبدي شکل34 ، تست Yoshida، تست خمش، تست بسترکشش، تست swift cup ، تست Englehardt، تست خمش به همراه کشش، تست Fukui، تست کشش درحالت کرنش صفحه اي.
اگرچه پارامترهاي پروسه اي درتست هاي ذاتي ناديده گرفته مي شوند اما هنوزهم آنها مي توانند اطلاعات مفيدي درمورد شکل پذيري ورق ها به ما بدهند. يک ضريب سختي بالاترمشخصه اي است که نشان ازکرنش يکنواخت بزرگتردرماده قبل از شروع ناپايداري را مي دهد.تنش تسليم پايين تر، بهبود شکل نهايي رادرهنگام شکل دهي آرام نتيجه مي دهد وکاهش برگشت فنري را به همراه دارد. بالاتربودن نماد وابستگي به نرخ کرنش، رويداد اولين تسليم موضعي35 را به تاخير انداخته وبنابراين باعث بهبود شکل دهي مي شود. مواد با نمادغير ايزوتروپي بالاتر، درمقابل نازک شدن مقاومت کرده ودرنتيجه مشخصه بهتري ازکشش36 را فراهم مي کنند[39]. در ميان تست هاي شبيه سازي شده، دوتست ارتفاع حدگنبدي شکل و Swift cup بيشترين کاربرد را درتخمين شکل دهي TWB ها داشته اند. درمقايسه تست جديدي به نام تست 37OSU نيز بعضا براي شکل دهي TWBها استفاده شده است[4و29و40]. خلاصه اي ازاين سه تست اينجا آورده شده است.
تست Swift cup ، قابليت کشش38 صفحات را آزمايش مي کند. يک سري ورق هايي با قطر افزاينده (D0) دراين تست استفاده مي شوند. يک نگه دارنده صفحه را نگه داشته ويک جام کوچک با مرزهاي کناري موازي وکف مسطح شده39، ورق ها راشکل مي دهد (مطابق شکل (2-3)). نماد اين تست، نسبت کشش حدي40 است که با استفاده از شکل دهي ورق با بيشترين ارتفاع بدون استفاده ازفلنج وبدون رخ دادن پارگي اين پارامتر محاسبه مي شود[39].
(2-3)

دراين معادله، ?o max نماينده نسبت کشش حدي است، Do max بيشترين قطرورق شکل داده شده و doنيز شعاع جام مي باشد.
(ب) (الف)
شکل (2-3): تست Swift cup : الف) قبل ازشکل دهي ب) بعدازشکل دهي[39].
شعاع سمبه استاندارد، 35/6 ميليمتر است. شرايط سطحي خاصي نيز براي نمونه وبراي قالب مورد نياز است. اين تست بيشتر مناسب کشش41 است وبراي فرآيند مهرزني که شامل کشش42 نيز مي شود، مناسب نيست[39]. درشکل (2-4) نمونه هايي ازورق هاي تحت اين تست نشان داده شده اند.
شکل (2-4): نمونه هايي ازورق هاي تحت تست Swift cup[39].
ارتفاع حدگنبدي شکل شايد بهترين وشناخته شده ترين تست در صنعت خودروسازي باشد. اين تست شامل يک سمبه ويک ترکيبي ازقالب ها است که اين اطمينان راحاصل مي کند که درحين فراهم کردن شرايط کشش به سمت داخل43 ، شرط کشش خالص نيز فراهم شده باشد (شکل (2-5)). ورق تاجايي کشيده مي شود که زوال اتفاق بيفتد وحدارتفاع گنبدي شکل دربيشينه باراعمالي، بدون هيچ گونه پارگي يا چروکيدگي، بدست مي آيد[29]. اپراتور مي بايست ورق رابا شبکه اي ازدايره هاي کوچک قبل از کشش علامت گذاري کند يا مي تواند از دوربين هاي ديجيتال براي ثبت تغيير شکل در حين کشش استفاده کند (شکل (2-6)).در مورد شبکه بندي دايره اي، دايره ها معمولا داراي قطر2-5 ميليمتر هستند وبوسيله دستگاه نقش گذاري شيميايي44 يا شيميايي- الکتريکي45 حکاکي مي شوند. آناليز کرنش بوسيله اين شبکه بندي تغييرشکل داده، انجام مي شود. کرنش در هنگام زوال از نزديکترين دايره به محل زوال اندازه گيري مي شود که اين دايره خودممکن است دچارشکست نشده باشد. درواقع، شکل پذيري ورق ها معمولا در شرايط کرنش صفحه اي، کمينه است. بنابراين مطلوب است که عرض ورقي که درحالت کرنش صفحه اي دچار شکست مي شود را پيدا کنيم واين عرض مي تواند عرض بحراني براي شکل دهي آن ورق باشد. ارتفاع گنبد متناسب با اين عرض بحراني، ارتفاع حد گنبدي شکل46 ناميده مي شود. دراغلب صنايع، يک ورق با عرض ثابت 133ميليمتر براي پيدا کردن ارتفاع حدگنبدي شکل استفاده مي شودواين بدون در نظرگرفتن عرض بحراني اين ورق است که از آزمايش بدست مي آيد[39].
شکل (2-5). نمايي ازفرآيند تست کشش کروي[40].
شکل (2-6). نمونه اي ازورق هاي شبکه بندي شده درتست کشش کروي[41].
OSU تستي شبيه به تست ارتفاع حدگنبدي شکل است. قواعد پايه اي دراين دوتست يکي است به جزهندسه سمبه واين حقيقت که ديگرمحاسبه عرض بحراني لازم نيست. بنابراين يک هندسه جديدflat-elliptical دراين تست استفاده مي شود (شکل (2-7)). اين هندسه شرط کرنش صفحه اي رابه صورت پايدارتري ايجاد مي کند واين بيشتربه خاطرهندسه دوبعدي سمبه است. پنج عدد ورق با ابعاد124*178ميليمتردراين تست بدون محاسبه عرض بحراني استفاده مي شوند[29]. تعداد نمونه ها بسيارکمترازتست ارتفاع حدگنبدي شکل است که درآنجا تعداد 25 نمونه براي محاسبه عرض بحراني وتعداد 18 نمونه دراين عرض بحراني تست مي شوند[39]. OSU به عنوان تست کشش خمشي47 بوسيله بعضي محققان نامگذاري شده است واين به خاطر ترکيب کشش وخمش دراين تست است [4و13]. اين ترکيب، اين تست رابراي صنعت هوافضا مناسب تر مي سازد، زيرا بيشتر فرآيندهاي شکل دهي دراين صنعت بوسيله لاستيک48 انجام مي شود.
شکل (2-7). نمايي از ابزارآلات مورد استفاده درتست OSU[42].
براساس تست هاي شکل دهي، که سه نمونه ازآنها دربالا اشاره شد، نمودارحدشکل دهي49 بدست مي آيد. اين نمودار نشان دهنده ي حدشکل دهي با استفاده ازيک منحني درصفحه کرنش هاي اصلي درون صفحه اي است (شکل (2-8)).کمترين حدشکل دهي معمولا درحالت کرنش صفحه اي() اتفاق مي افتد. بنابراين دربيشتر موارد، قراردادن حدشکل دهي کرنش صفحه اي براي حدشکل دهي کلي يک رويکرد محافظه کارانه خواهد بود. نمودارهاي حدشکل دهي يک نقش کلي درارزيابي ودستکاري فرآيندهاي شکل دهي دارند.
Stuart Keeler [44] مفهوم نمودارحدشکل دهي را درپايان نامه دکتراي خود (1961-1957) درموسسه تکنولوژي ماساچوست بيان کرد. دريک کتاب منتشر شده بوسيله آقايKeeler وهمکاران



قیمت: تومان


پاسخ دهید