Simulações com AHSS para design automotivo

1. O que observar em bordas de AHSS cortadas e distendidas

Começando pelo problema número 1 ao realizar simulações de conformação para o AHSS: a distensão de bordas cortadas. É necessário estar ciente de quaisquer situações em que você observa a tensão uniaxial em uma borda cortada.

O diagrama de limite de conformação não pode ser utilizado como um guia para a distensão das bordas, simplesmente porque, quando testamos o material no laboratório e criamos a curva de limite de conformação, não estamos testando o aço AHSS na borda cortada, mas na parte central — na estrutura da chapa.

Também não há correlação entre os valores de ductilidade e alongamento das bordas — de modo que o gráfico “curva da banana” do AHSS não pode ser utilizado para avaliar a ductilidade das bordas.

Uma forte influência no limite de ductilidade das bordas do AHSS é como a ferramenta de corte foi concebida. No Knowledge Service Center da SSAB, testamos os nossos aços automotivos AHSS Docol® para encontrar a folga de corte ideal para cada grau.

Mas o que torna as simulações de AHSS ainda mais complicadas é que a ductilidade das bordas muda durante a produção em série devido ao desgaste da ferramenta de corte. Alguns softwares de simulação começaram a incluir formas de considerar a distensão de bordas, com valores padrão para as bordas cortadas a laser sendo as maiores, seguidos por novas bordas de perfuração e então pelas bordas de perfuração desgastadas.

Portanto, nas simulações de AHSS, prestamos atenção a:

• Onde está a distensão da borda?
• Qual é a quantidade de distensão da borda?
• Que tipo de distensão de borda é?

2. Utilize um teste prático para validar a tensão de borda em bordas cortadas do AHSS

Existem muitas maneiras de gerar diversos comportamentos do AHSS e gradientes de deformação: no plano da tira, no sentido da espessura, e também na resistência e concentração ao longo da própria borda cortada.

A SSAB criou um teste prático – o teste de flexão dupla – que verifica o ângulo máximo de flexão do aço AHSS antes que ocorra uma trinca.

Realizamos os nossos resultados do teste de flexão dupla e o comparamos ao teste de expansão de furo. E pode haver grandes diferenças entre os testes em seus níveis aceitáveis de deformação. Por exemplo, um aço DP 980 de 1 mm pode ter uma deformação máxima de 46% no teste de expansão de furo, mas apenas 11% no teste de flexão dupla.

 

3. Procure por grandes deformações que atravessem áreas pré-conformadas de AHSS

O teste de expansão de furo ISO 16630 para ductilidade de borda é conduzido com zero pré-deformação em uma amostra de AHSS. Na realidade, é comum que a tira de AHSS seja pré-deformada antes do corte e da deformação final das bordas cortadas. É difícil conceber um teste geral para essa situação, pois a pré-deformação do corpo de prova grande (100 x 100 mm) para o teste de taxa de expansão de furo (Hole Expansion Ratio - HER) é um desafio. Como é possível prever a capacidade do aço AHSS para essa situação?

Ao invés de depender apenas do teste de HER, é possível simular a peça — observando as principais deformações que atravessam as áreas pré-deformadas. Se encontrar alguma, você terá algumas opções. É possível optar por trocar o material por um grau de AHSS com uma melhor ductilidade de borda cortada, para proporcionar uma margem adicional de segurança. Ou você pode ajustar o seu design para manter a pré-deformação em um nível mais baixo. Ou tente movê-la para outra área onde a deformação final da peça é menor.

4. A SSAB determina os níveis de deformação ao dobrar

O diagrama de limite de conformação (Forming Limit Diagram - FLD) é válido para elementos que tenham a mesma deformação em todas as suas espessuras. Porém, ao dobrar o aço AHSS, você tem uma camada distendida na parte externa, compressão na parte interna e uma camada neutra não deformada no meio. Utilizando a visualização padrão em simulações, você estará observando a camada neutra.

Ao invés disso, é necessário olhar para a quantidade de tensão na camada externa da tira. Porém, ao fazer isso, você não deve utilizar o gráfico FLD para determinar falhas na superfície externa: fazer isso pode levar a um resultado excessivamente conservador.

Então, quais níveis são seguros para a flexão do AHSS? Você deve nos solicitar esses valores. Por exemplo, fizemos um teste em nosso laboratório de conformação para um cliente da Alemanha com o Docol® 1400M de 2,0 mm. Nesta flexão, medimos 18% da deformação, que é muito maior que a deformação de 10% obtida da curva de limite de conformação para este material no estado de deformação igual através da espessura (teste de FLD).

5. Utilize simulações de conformação incrementais para capturar fenômenos como flexão e extensão

Ao dobrar qualquer metal e depois dobrá-lo para trás no sentido oposto e continuar fazendo isso, para frente e para trás, o metal acabará quebrando — você acumulou danos no material. Esse comportamento não pode ser capturado pela curva de limite de conformação e é desafiador de modelar.

Por exemplo, tivemos um cliente cujas simulações não mostraram problemas na conformação do AHSS — sem tensões que estivessem acima do limite. Ainda ocorreram trincas durante a produção! Por isso, realizamos uma simulação de conformação incremental que apresentou um valor de resultado especial chamado “tendência acumulada” (veja a imagem).

 

6. Tenha cuidado para não depender excessivamente das altas tolerâncias mecânicas dos aços AHSS

Às vezes, ouvimos que o argumento de que toda a instabilidade à produção é oriunda da variação de materiais. Materiais AHSS consistentes definitivamente importam, mas isso não é uma questão geral.

Na verdade, realizamos análises de repetibilidade que comparam os nossos graus de Docol^® aos graus gerais de VDA. Em um caso, vimos um simples flange feito com AHSS de grau de fase complexa (CP) 980, com uma tolerância de ±1° de acordo com a VDA 239. É possível ver o processo completo de análise em nosso webinar sob demanda intitulado: Simulações com AHSS para design automotivo: as 10 principais considerações.

A análise mostrou que uma peça em particular, quando feita com o Docol^® 980 CP, tinha 628 vezes menos probabilidade de estar fora da tolerância do que uma feita com o VDA 980 CP geral – devido às tolerâncias mecânicas mais elevadas do material do Docol^®.

A alta consistência do material é sempre desejável, especialmente no caso de aplicações em aços AHSS/UHSS/Gigapascal, que são realmente dependentes de tolerâncias mecânicas rigorosas. Porém, é arriscado conceber peças feitas com o AHSS, que dependem apenas da elevada tolerância mecânica. Muitos outros fatores entram em jogo durante a produção: variações do processo, desgaste das ferramentas, lubrificação, etc.

Costumamos dizer que o único parâmetro mais importante para um processo de AHSS altamente repetível é ter um design robusto das peças, tirar o máximo proveito das geometrias de alta rigidez, pequenos raios, uso estratégico dos fatores de ganho, etc.

 

7. Otimize o seu layout de conformação de AHSS

Para otimizar o layout de conformação, é necessário levar em consideração muitos parâmetros, incluindo viabilidade, repetibilidade, prensas disponíveis e desgaste de ferramentas.

Em nosso webinar Simulações, é possível ver como estimulamos a mesma peça automotiva feita com AHSS utilizando três abordagens diferentes de conformação: Estampagem + Flange; Flange + Recorte de Came; e Flange com Cames.

Para esse design específico de membro lateral, a simulação de Extração + Flange produz um deslocamento máximo de recuperação elástica de 10 mm e, de outra forma, parece adequada. A simulação Flange + Came possui um deslocamento de recuperação elástica máximo de 13 mm, mas apresenta problemas de tolerância no raio convexo da superfície. A simulação de flange com cames sofre com altas deformações nas bordas cortadas e grandes desvios na precisão do formato devido aos raios dobrados.

8. Suas simulações de enrugamento podem ser muito conservadoras

Em peças feitas com AHSS com flanges de borda altamente comprimidos e sem a possibilidade de utilizar um prensa-chapa, é necessário simular a peça para tentar detectar enrugamentos. Aqui é mostrada uma peça feita com AHSS de 4 mm de espessura. Simulação desta peça com o uso de três abordagens diferentes para comparar com os protótipos reais:

1. Uma simulação realizada com elementos de invólucro e sem auto-contato produziu um resultado com baixa capacidade de recuperação de um enrugamento, quando ele ocorre. Mas, na realidade, não demonstrou rugas após a conformação.
2. Uma simulação com o uso de elementos sólidos totalmente integrados e sem auto-contato. Este resultado se aproximou mais da realidade, mas ainda assim tinha enrugamentos remanescentes após a conformação.
3. Uma simulação com o uso de elementos sólidos e auto-contato. Isso resultou em uma boa consistência com a realidade.

Para simulações de estampagem de AHSS, a abordagem mais comum é usar um elemento de invólucro sem auto-contato. Para determinar a tendência de enrugamento, este é um tipo de elemento muito conservador. No mínimo, o que você pode dizer é que, se não houver enrugamento usando elementos de invólucro sem auto-contato, não haverá enrugamento na prática. No entanto, conforme demonstrado neste exemplo, essa abordagem pode definir alguns limites para uma peça feita com AHSS que não esteja presente na realidade.

9. Sua simulação de AHSS está detectando forças de reação da tira que podem levar à abertura da ferramenta?

Ao utilizar aços AHSS/UHSS/Gigapascal, a força de reação da tira aumentará ao usar prensas-chapas. E se a força de reação do AHSS for maior do que a do prensa-chapa, ocorrerá a abertura da ferramenta. Isso leva a um processo altamente descontrolado: é possível que ocorram enrugamentos e trincas e uma correlação muito baixa entre a simulação e a realidade do seu AHSS.

Portanto, verifique atentamente se as forças nos prensas-chapas e nos insertos são suficientes. Alguns softwares de simulação têm formas de detectar a força de reação da tira de AHSS durante a abertura da ferramenta. Alguns softwares adicionam silenciosamente mais força no prensa-chapa para manter as ferramentas fechadas — mas é extremamente importante verificar se isso está acontecendo ou não em seu software de simulação.

10. Leve em consideração deformações não lineares

É importante considerar uma falha não linear porque a curva de limite de conformação é desenvolvida para caminhos de deformação lineares – o que significa que a conformação ocorre de apenas uma maneira até que ocorra uma falha.

Isso quer dizer que, ao conformar e reformular uma área de uma peça feita com AHSS, tal como em uma ferramenta de conformação em múltiplas etapas, obtém-se uma situação que não é semelhante à FLC. E, na realidade, o resultado pode ser melhor ou pior, dependendo do caminho da deformação.

Alguns softwares de simulação podem levar em consideração deformações não lineares. Por exemplo, o AutoForm possui um diagrama de conformação não linear, que calcula e transforma deformações não lineares e as mapeia no FLD. Isso pode ser muito útil ao utilizar a conformação de múltiplos estágios – mas também às vezes até mesmo quando ela é de apenas um único estágio, como no exemplo a seguir.

A imagem da esquerda mostra o tradicional FLD traçado na peça de AHSS (neste caso, feito com o Docol^® 1000DP), mostrando a cor vermelha em uma área, o que significa que as deformações estão acima do limite de conformação. A imagem à direita, no entanto, é o resultado não linear (transformado), que mostra que a peça está realmente OK.