Simulação numérica por elementos finitos do processo de calandragem de perfis de alumínio 6061 T6 usados em aplicações navais

Abstract

Esta dissertação tem como foco principal a validação de um modelo computacional utilizado para simular o processo de calandragem de perfis metálicos utilizando diferentes elementos finitos. Adicionalmente, o estudo abrange a previsão de defeitos durante o processo de calandragem. Para tanto, foram realizados testes de validação do modelo em um perfil I de aço S235, com os resultados comparados aos dados experimentais disponíveis na literatura. Posteriormente, o modelo validado foi empregado em um estudo de casos envolvendo quatro perfis de alumínio 6061-T6, os quais possuem diferentes seções transversais. O alumínio 6061-T6 é uma liga amplamente empregada em aplicações marítimas devido às suas propriedades, como resistência à corrosão, elevada resistência mecânica, leveza, boa soldabilidade e resistência à fadiga. Nesse estudo, os perfis foram submetidos a simulações numéricas, considerando esforços verticais aplicados por meio dos rolos de calandragem. Para avaliar a robustez do modelo, foram testados quatro tipos distintos de elementos finitos: o elemento finito hexaédrico de ordem linear com 8 nós (SOLID185), o elemento finito hexaédrico de ordem quadrática com 20 nós (SO- LID186), o elemento finito tetraédrico de ordem quadrática com 10 nós (SOLID187) e o elemento finito tetraédrico de ordem linear com 4 nós (SOLID285). Os resultados desses testes foram comparados entre si e com os dados experimentais disponíveis. Os testes de convergência de malha revelaram a estabilidade dos resultados, com uma variação de -0,61% ao utilizar o elemento finito SOLID186 e uma estabilidade de 6,59% com o ele- mento finito SOLID187. Os elementos finitos SOLID185 e 285 demonstraram uma menor estabilidade, com variações superiores a 15%. Os resultados obtidos destacaram a consistência entre os diferentes elementos finitos testados, apesar de algumas diferenças na precisão. Além disso, ao comparar os resultados da simulação com o perfil I de aço S235 com os dados experimentais, observou-se uma discrepância de -1,61% para o modelo que utilizou o elemento finito SOLID186 e -10,48% para o modelo que empregou o elemento finito SOLID187. Com base nesses resultados, foi possível validar o modelo computacional e determinar que os elementos finitos SOLID186 e SOLID187 são os mais adequados para representar com precisão o processo de calandragem de perfis metálicos. Já no estudo de casos, os resultados obtidos demonstram padrões consistentes em relação às tensões e deslocamentos em diferentes raios de curvatura. À medida que o raio de curvatura diminui, a tensão de von Mises tende a aumentar, aproximando-se do limite de resistência do material. Esse fenômeno é crítico para identificar os pontos de tensão máxima e garantir margens de segurança adequadas para evitar falhas estruturais. Os deslocamentos ao longo dos perfis também são monitorados e fornecem informações importantes sobre a evolução do deslocamento em diferentes raios de curvatura. A pesquisa identifica padrões consistentes que ajudam a determinar a influência direta da curvatura nos defeitos resultantes, contribuindo para a compreensão aprofundada do comportamento mecânico desses perfis.The main focus of this dissertation is the validation of a computer model used to simulate the bending process of metal profiles using different finite elements. In addition, the study covers the prediction of defects during the calendering process. To this end, validation tests of the model were carried out on an S235 steel I-profile, with the results compared to experimental data available in the literature. Subsequently, the validated model was used in a case study involving four 6061-T6 aluminum profiles, which have different cross-sections. Aluminum 6061-T6 is an alloy widely used in marine applications due to its properties such as corrosion resistance, high mechanical strength, lightness, good weldability and fatigue resistance. In this study, the profiles were subjected to numerical simulations, considering vertical stresses applied by the calendering rollers. To assess the robustness of the model, four different types of finite element were tested: the linear order hexahedral finite element with 8 nodes (SOLID185), the quadratic order hexahedral finite element with 20 nodes (SOLID186), the quadratic order tetrahedral finite element with 10 nodes (SOLID187) and the linear order tetrahedral finite element with 4 nodes (SOLID285).The results of these tests were compared with each other and with the available experimental data. The mesh convergence tests revealed the stability of the results, with a variation of -0.61% when using the SOLID186 finite element and a stability of 6.59% with the SOLID187 finite element. The SOLID185 and 285 finite elements showed less stability, with variations of more than 15%. The results obtained highlight the consistency between the different finite elements tested, despite some differences in accuracy. Furthermore, when comparing the simulation results with the S235 steel I-profile with the experimental data, a discrepancy of -1.61% was observed for the model using the SOLID186 finite element and -10.48% for the model using the SOLID187 finite element. Based on these results, it was possible to validate the computational model and determine that the SOLID186 and SOLID187 finite elements are the most suitable for accurately representing the metal profile calendering process. In the case study, the results obtained show consistent patterns in relation to stresses and displacements at different bending radii. As the bending radius decreases, the von Mises stress tends to increase, approaching the strength limit of the material. This phenomenon is critical for identifying the points of maximum stress and ensuring adequate safety margins to avoid structural failures. The displacements along the profiles are also monitored and provide important information on the evolution of displacement at different radii of curvature. The research identifies consistent patterns that help determine the direct influence of curvature on the resulting defects, contributing to an indepth understanding of the mechanical behavior of these profiles.