Design and Analysis of a Bulge Test Device

Diseño y análisis de un dispositivo para ensayos Bulge

El objetivo de este trabajo es presentar el proceso metodológico para diseñar un dispositivo capaz de realizar ensayos Bulge. Este tipo de dispositivos permite obtener más información del comportamiento plástico de un material que la proporcionada por un ensayo de tensión tradicional. Se evaluaron los requerimientos de diseño del dispositivo a través de la metodología QFD. Seguidamente se realizó un diseño básico del dispositivo basado en modelos analíticos disponibles como la teoría de recipientes a presión de pared gruesa, la teoría de placas anulares y un modelo de plasticidad básico para el estado biaxial de esfuerzo. Luego, se propuso un diseño detallado del dispositivo, el cual fue evaluado mediante un modelo 3D de elementos finitos y un análisis lineal-estático para los componentes principales. Finalmente, se realizaron un modelo axisimétrico 2D y un análisis no-lineal para validar el diseño propuesto. La novedad principal del trabajo consiste en articular la metodología del proceso de diseño mecánico y la concepción,diseño y validación de un dispositivo Bulge, solventando las carencias encontradas en la literatura en cuanto a procesos de diseño y validación de este tipo de dispositivos.

INTRODUCCIÓN

De la literatura de procesos de manufactura, es ampliamente conocido que las industrias aeroespacial y automotriz, por mencionar algunas, se basan en procesos de conformado de metales como forja, extrusión, estampado, doblado, etc. (Groover, 2019). Para diseñar estos procesos es necesario conocer el comportamiento elasto-plástico de los materiales empleados. Para ello, es necesario caracterizar experimentalmente el material. Esto ayuda a prevenir y corregir fallos durante los procesos de fabricación o fenómenos como el springback de las piezas. El comportamiento plástico se caracteriza por la curva equivalente de tensión frente a deformación plástica equivalente, σ _eq vs ε^P _eq (Calladine, 2016). El método más utilizado para obtener esta curva son los ensayos de tracción, donde es posible obtener información sobre el comportamiento elastoplástico de los materiales, hasta el inicio del necking localizado. Esto limita la información obtenida sobre el comportamiento plástico a niveles bajos de deformación plástica equivalente, en torno al 30%, en los materiales más dúctiles. Sin embargo, para diseñar adecuadamente un proceso de forja o embutición profunda, se debe disponer de información hasta una deformación plástica equivalente en torno al 80%, imposible de obtener mediante un ensayo de tracción en los materiales más dúctiles (Rees, 2012). Por otro lado, mediante un ensayo de Bulge, se retrasa el fenómeno de necking localizado, y se pueden obtener niveles de deformación plástica equivalente en torno al 60%, lo que ofrece más información sobre el comportamiento plástico de los materiales (Lazarescu, Nicodim, Ciobanu, Comsa, y Banabic, 2013).