Análisis multifísico del proceso de conformado de tubos a elevadas temperaturas y predicción de fatiga termomecánica en el herramental
- Autores: Ángel Escolán Gonzalvo
- Directores de la Tesis: José Manuel Bielsa Gimeno (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alfonso Fernández Canteli (presid.), José Luis Nuñez Bruis (secret.), Miguel Angel Jimenez Caballero (voc.), Luis Castejón Herrer (voc.), Mauro Malvè (voc.)
- Materias:
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- Resumen
** Introducción ** El conformado de tubos de grandes dimensiones y a elevadas temperaturas es un proceso industrial en el que partiendo de un lingote, se suceden una serie de etapas de conformado que transforman dicha preforma hasta la obtención de un tubo con unas características mecánicas y geométricas en función de los requerimientos del mercado. En dichas etapas coexisten fuertes gradientes mecánicos y térmicos que posibilitan el proceso de conformado.
Todo proceso de conformado está condicionado por la presencia de fenómenos de daño. Por un lado, en ocasiones el daño es un factor limitante del proceso, otras veces es necesaria su presencia para posibilitar la etapa de fabricación. Dentro del proceso de conformado, el herramental interacciona directamente con la pieza transformada viéndose afectado, sobretodo a nivel superficial, por elevadas solicitaciones térmicas y mecánicas. Este hecho, sumado a la repetibilidad del proceso, potencia la aparición de grietas superficiales asociadas a fenómenos de fatiga termomecánica acortando la vida útil de la herramienta.
** Desarrollo teórico ** En la presente tesis se plantea el desarrollo de una metodología de análisis multifísico que permita estudiar, mediante simulación numérica (MEF), las tres etapas principales de un proceso concreto de conformado de tubos: Embutición, perforación y laminación Pilger. Esta metodología permitirá conocer en detalle, tanto para el material conformado como para el herramental, las variables termomecánicas de cada etapa así como su interacción. Asimismo, se ha desarrollado y adaptado un modelo de daño heterogéneo en el conformado que posibilita el desfondado en la segunda etapa de fabricación (perforación) y se ha estudiado el fenómeno de la fatiga termomecánica presente en la superficie del herramental mediante la aplicación del método de análisis propuesto por Neu-Sehitoglu, y mediante el desarrollo de un modelo propio, incorporando dicha posibilidad de análisis a la metodología de simulación desarrollada. Los modelos de simulación presentados incluyen las siguientes características: * Modelos tridimensionales resueltos con integración explícita para obtener alta eficiencia computacional, dado el tamaño de los modelos y la complejidad de las condiciones de contorno.
* Análisis termo-mecánico acoplado, incluyendo en éste al herramental.
* Modelo de comportamiento material que incluye plasticidad isótropa y la dependencia de ésta con la temperatura.
* Modelo de daño heterogéneo basado en una ley de inicio y evolución del mismo.
* Mallado adaptativo (ALE) y ¿orientado¿ para evitar distorsiones importantes de la calidad de los elementos.
* Malla deformable para el herramental.
* Transferencia térmica entre el material conformado y el herramental, y entre el material conformado y el ambiente.
* Generación de calor por deformación plástica del material conformado y por fricción en el contacto material conformado - herramental.
** Conclusines ** Las principales conclusiones globales derivadas del estudio realizado son las siguientes: * Se ha desarrollado una metodología específica de simulación para el estudio de procesos de conformado a elevadas temperaturas. Dicha metodología es de tipo explícito y resuelve el problema mediante cálculos de tipo termomecánico acoplado. El material conformado se ha definido como termoviscoelastoplástico. Debido a las elevadas deformaciones del material conformado, se ha empleado la técnica de mallado adaptativo (ALE) combinándola con mallados ¿orientados¿ favoreciendo la convergencia computacional de los cálculos. Tanto herramental como conformado se han tratado como sólidos deformables definiendo entre ambos interacciones termomecánicas asociadas a fenómenos de fricción, calentamiento por deformación inelástica, e interacciones térmicas asociadas a fenómenos de conducción entre conformado y herramental, y a radiación entre conformado y ambiente.
* Se han estudiado los fenómenos de daño presentes en el proceso y se ha incorporado al modelo material un criterio de daño heterogéneo que posibilita el desfondado computacional en la segunda etapa de conformado (perforación). Dicho criterio combina modelos de daño dúctil y cortante de tal modo que el comportamiento global está gobernado por la combinación de diferentes curvas de inicio de daño y evolución del mismo.
* Se han desarrollado modelos de simulación MEF bidimensionales equivalentes con un coste computacional menor que favorecen el desarrollo de baterías de simulación a la hora de estudiar sensibilidad de parámetros del proceso; este aspecto favorece la toma de decisiones a nivel industrial.
* Mediante la programación de una subrutina de usuario en lenguaje de programación FORTRAN se han ampliado las posibilidades de análisis del software ABAQUS para estudiar la fatiga termomecánica a partir del modelo planteado por Neu-Sehitoglu. Dicha subrutina permite identificar, atendiendo al número de ciclos, las zonas más solicitadas en cada etapa del herramental. La citada subrutina trabaja en paralelo junto con el cálculo termomecánico combinando predicción de daño por fatiga multiaxial, oxidación y creep.
* Se ha creado un modelo de análisis para la predicción de vida debida a fenómenos de fatiga termomecánica en procesos de conformado en caliente similares a los abordados en esta tesis. Dicho modelo combina el modelo de plano crítico de estimación de vida por fatiga multiaxial desarrollado por Fatemi-Socie junto con una ley de oxidación que considera los efectos térmicos, el tiempo del proceso, el rango de deformación y la velocidad de deformación en la herramienta. Las constantes de dicha ley se han ajustado en función del modelo propuesto por Neu-Sehitoglu. La ventaja de este modelo es que son necesarias 8 constantes materiales experimentales frente a las 25 constantes del modelo general de Neu-Sehitoglu; además el coste computacional es menor al no ser necesaria la resolución de ecuaciones mediante métodos no lineales. La precisión y sensibilidad del modelo desarrollado, aplicada a los casos de estudio abordados en esta tesis, es equivalente a la del modelo desarrollado por Neu-Sehitoglu.
