Elastic-viscoplastic behavior modeling in multiphase steels for metal forming simulation
Modélisation du comportement élasto-viscoplastique des aciers multiphasés pour la simulation de leur mise en forme
Résumé
Due to the restriction imposed by EU on the CO2 emission performance standards for the automobile sector, the automobile manufacturers need to produce lighter vehicles, mostly by reducing the thickness of the automobile parts. As a consequence, the steel companies have to propose new steels capable to ensure similar or higher passenger safety. Increasing the mechanical properties is not a viable solution as that can decrease the metal formability. A balance between the both can be obtained by microstructure optimization. This can be achieved through a combination of good properties of different phases, as for example in new generation multiphase steels. The microstructure optimization can require a large number of experimental trials. Numerical simulation is an efficient tool to diminish the time and the costs of product conception by reducing the number of experimental campaigns. This present research aims at the development of a numerical solution to model the elastic-viscoplastic behavior of multiphase steels grades during 3D finite element simulations of metal forming processes with Abaqus software. A phenomenological physics-based constitutive model is proposed for the elastic-viscoplastic behavior of the constitutive phases. This original tensorial constitutive law (incremental formulation) is verified by the experimental data and other constitutive laws proposed in the literature. The macroscopic behavior of the multiphase steel is obtained by using a self-consistent approach written specifically for heterogeneous elastic-viscoplastic materials. In addition, a new micromechanical approach is considered to capture microstructure size effects (grain size, particle size, etc.) and is validated on previously published experimental results. The numerical tool developed in the current research is applied on the tensile and V-bending simulations to evaluate its ability to predict accurately physical phenomena (such as striction, strain-rate effects on localization and Bauschinger effect) in a composite elastic-viscoplastic structure.
En raison du durcissement des normes d'émissions de CO2 par l'Union Européenne, les constructeurs automobiles sont contraints d'alléger leurs véhicules, particulièrement en diminuant l'épaisseur des pièces. Par conséquent, les fournisseurs d'acier doivent proposer de nouveaux aciers capables, à épaisseur plus faible, de garantir une sécurité des passagers identique voire meilleure. Augmenter la résistance mécanique ne suffit pas puisque les propriétés de mise en forme se retrouvent diminuées. Un compromis peut être trouvé en optimisant la microstructure en combinant par exemple les bonnes propriétés de différentes phases comme dans les nouvelles générations d'aciers multiphasés. L'optimisation de la microstructure peut demander un nombre d'essais expérimentaux conséquent. La simulation numérique représente un outil efficace permettant de diminuer le temps et les coûts de conception en diminuant considérablement les campagnes expérimentales. Ce travail de thèse vise à développer un outil numérique capable de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des aciers multiphasés lors de simulations numériques 3D de mise forme dans le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus. Une loi phénoménologique à base physique a été formulée de manière incrémentale dans un cadre tensoriel afin de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des phases constitutives. Cette loi originale a été confrontée à la fois à des essais expérimentaux et à d'autres modèles issus de la littérature. Le comportement macroscopique de l'acier multiphasé est obtenu en utilisant un schéma autocohérent écrit spécifiquement pour des matériaux hétérogènes élasto-viscoplastiques. Par ailleurs, une nouvelle approche micromécanique visant à introduire des effets de longueurs internes microstructurales (taille de grain, taille de particule, etc.) est proposée et validée à l'aide de données expérimentales. Enfin, l'outil numérique développé dans ce travail de thèse est appliqué à la simulation d'essais de traction uniaxiale et de pliage en V afin d'évaluer la pertinence des phénomènes physiques (tels que la striction, les effets de vitesse de déformation sur la localisation et l'effet Bauschinger) dus au mélange de phases élasto-viscoplastiques.
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