6
Three-dimensional ®nite-element simulation of bulge forming M. Ahmed a,* , M.S.J. Hashmi b a Department of Industrial and Production Engineering, Bangladesh University of Engineering and Technology, Dhaka 1000, Bangladesh b School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Dublin City University, Dublin 9, Ireland Abstract Many near net-shaped industrial parts and products are manufactured by bulge forming process. However, due to the complexities involved in the deformation process, conventional analytical studies were able to provide only very limited knowledge on bulge forming of different products. Finite-element analysis is a very powerful technique to study complex metal forming cases. This paper presents the results of three-dimensional ®nite-element simulation of bulge forming of T-branches applying two different loading conditions. The stress and strain distributions resulting from these loading situations are presented. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Three-dimensional; Finite-element analysis; Bulge forming; LSDYNA3D 1. Introduction Bulge forming is an innovative metal forming process by which many near net-shaped industrial parts are manufac- tured. Deep vessels, T-branches, X-branches and other tubular components, stepped hollow shafts, bicycle wheel hub, rear axle casing of cars, axles, nozzles, metal bellows, etc. are typical parts made by bulge forming processes. The products are either axisymmetric or asymmetric. There are different die-®xture arrangements for bulge forming. Fig. 1 shows a cross-sectional view of one of the possible arrangements for manufacturing of tubular components. The tube blank is placed between two die halves and the tube ends are held by two plungers, the tips of which act as punch. The hydraulic ¯uid is pumped through the holes in the plunger in order to apply pressure inside the tube. The plungers are pushed inwards to provide the axial compressive load. Due to the pressure and the axial load, the branch starts forming. Simultaneous application of these loads helps to obtain large deformation in the process. Prominence of any one type of loading leads to instability and thereby defects. A number of analytical and experimental studies [1±10] were reported on the study of bulge forming of net-shaped products from tubes. However, as the forming processes are very complex, these studies provided only very limited understanding of the process. Finite-element analysis, on the other hand, is an excellent technique to simulate and study metal forming in details. Unfortunately, the applica- tion of this technique to complex metal forming cases is very limited as these forming cases require three-dimen- sional treatment which is very computer intensive. For bulge forming the application is even rare. Lange et al. [11] have presented a simulation study of axisymmetric bulging of tubes. Taking advantage of axisymmetry, the analysis was done in two dimensions using implicit codes of their own. They simulated the process for three different load char- acteristics de®ning the relation between the pressure load and the axial load. For moderate axial load, the simulation results agreed quite well with the experimental results. However, for higher axial load substantial differences between the simulated results and experimental results were observed. Bauer [12] reported ®nite-element simulation of a process for bulging a hollow cam shaft from a pipe. The process, termed as interior high pressure process, involves forming of a pipe applying very high internal pressure and simultaneous force in the axial direction. In this process, cams are ®tted so that the shafts and bearing surfaces are formed simultaneously. Essentially, a three-dimensional simulation was done and a commercially explicit FE code, LS-DYNA3D, was used for the purpose. Two loading situations, viz. pressure load with axial compression and pressure load without any axial compression, were simu- lated. It was found that cams and bearing surfaces are well developed by combined pressure load and axial compres- sion. The residual stress in the shaft and ®tted components were also less for this loading. Forming by pressure loading only reduces the thickness of the pipe wall thereby affecting the shaft strength. Comparison of simulated displacements and stress results with those obtained by extensive measure- ments on formed cam shafts showed that the agreement is generally very good. Journal of Materials Processing Technology 119 2001) 387±392 * Corresponding author. Fax: 880-2-86-130-46. 0924-0136/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0924-013601)00981-5

Three-dimensional finite-element simulation of bulge forming

  • Upload
    m-ahmed

  • View
    216

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

������������� ������ ���� ��� ���� �� �� �� ������

�� ��������� ������ ������

����������� ��� ������ ��� ��� ���� ������������ ���������� ���������� ����������� ��� ��������� ����� ����� ��������������� ��������� ��� �� ��� ���� ������������ � !��� "��� ����������� � !��� #� �������

��������

��� ��� �������� ������� ���� �� ������� ��� ����������� �� �� �� ������ ������ ���� ��� ��� �� ��� ���� �!����

� � �� � ��� ���������� ������ �� ����� �� ����� ����� ���� �� � �� ��� ��� � � ��� ������ "�� ���� � �� �� ������ ��

�������� �������� #������ ���� �� �� � � ��� ������� �����$�� �� ���� ���� �! ���� ������ ���� ��� ����� ����� ���

��� � �� ������������� ������ ���� ��� ���� �� �� �� ������ �� �������� ��� ��� ��� �������� ����� �������� ��� ���

�� ���� ���������� ��� ��� ���� ���� ����� ������� ��� �������� � %&&' ( � ��� ������ )�*� � ����� ���� ���

$��%���& ������������� + #������ ���� �� ��+ )� �� ������+ ,�-./�0-

� ���� ������

)� �� ������ � � �� ��� � ���� ������ ����� ��

����� ��� ��� �������� ������� ���� ��� �������

������ -��� �� � ��������� 1������� �� �����

���� �� �������� ������ �� �� ����� ����� � ����

���� ���� �! � ���� �� ���� �! �� �22 �� ���� �� ���

���� ��� ������ ���� ���� �� �� �� ������ ������� ���

������� ��� ������ �!��������� �� ����������

����� ��� �������� �����!���� ��������� ��� �� ��

������� #��� ' ��� � ���������� ��� �� �� ��

��� ���� � ��������� ��� ����������� �� ���� ��

�������� ��� ���� � �" � � ���� ������ ��� ���

�� � �� ��� ���� �� ��� �� � �� ��� � ����� ��� ���

�� ����� ��� � ����� ��� ������ �� 3��� � ������

������� ��� �� � � ��� � ���� � ����� �� ��� � ������

���� ��� ����� ��� � ���� ��� ����� ����� �� ��� ���

��� �!�� ������� � ���� -�� �� ��� ������ �� ��� �!��

���� ��� ����� ���� ������� ���� ����� ��� ������ ��

���� ��� �� � �� ����� ���� ���������� � ��� ������

4������� �� �� �� ���� �� ����� ��� �� ����� ���

�� ������� �������

� ����� �� �� ����� �� �!�������� ����� 5'6'&7

���� �������� � ��� ���� �� �� �� ������ �� ��������

������� ���� ����� ���� ��� � ��� ������ ������ ���

��� ���� �!� ���� ����� ��� ���� � � ��� ������

��������� �� ��� ������ #������ ���� �� ��� �

��� ����� ���� � � �!�� �� �����$�� �� ��� ��� ��

���� ���� ������ � ����� � 8�������� �� ��� ��� ����

��� �� ��� �����$�� �� ���� �! ���� ������ ��� �

��� ������ � ���� ������ ��� ��$���� �����������

��� �������� ����� � ��� �������� ���� �� #�� �� ��

������ ��� ��� ������ � � � ����� ,��� �� � � 5''7 �� �

������� � ��� ���� ���� �� �!��������� �� ��� ��

����� ��"�� �� ����� �� �!��������� ��� �� �� ��

��� � ��� ������ ��� ��� ���� ���� �� ����� ���

���� ��� ���� ��� ����� ��� ����� �������� ��� �����

��������� ����� ��� �� ���� ������ ��� ������ ���

�� ��� �!�� ���� #�� �������� �!�� ���� ��� ��� ����

��� � ������ $���� �� ���� ��� �!�������� ��� ��

���� ��� ��� ������ �!�� ��� ������� ���������

������ ��� ��� ���� ��� � �� �!�������� ��� � ����

���� ��� )���� 5'%7 �������� ������ ���� ��� ���� �� �

����� ��� �� ��� � �� �� ��� ���� ���� � ����� ���

������ ������ � ������� ���� ������ ������ � � �

������ �� � ���� ��� ��� ��� ���� ����� ������ ��

��� ����� ����� � ��� �!�� ��������� 9 ��� ������

��� ��� ����� � ���� ��� ���� �� ������ ������ ���

������ ��� ����� �� (���� �� � �������������

��� ���� �� ��� �� � ��������� � �!� ���� #( �����

,��-./�0-� �� ��� ��� ��� ������� ��� �����

�������� �2� ������ ��� ���� �!�� �������� ��

������ ��� ������� �� �!�� ��������� ���� ����

����� 9� �� ���� ���� ��� �� ������ ������ ��� ��

�� � ���� �� ������� ������ ��� �� �!�� �������

��� ��� ������ ��� � ��� ���� �� ����� �������

���� � � � ��� ��� ������ #����� �� ������ �����

� � ������ ��� ����"� �� ��� ���� �� ������� ��������

��� ���� ������� :������� �� ��� ���� ��� ������

�� ��� ��� � ���� ���� ������� �� �!��� � �������

��� � ������ ��� ���� ����� ���� ��� �������� �

����� � ��� �����

����� �� ������� 4������ ����� ��� ''; <%&&'= 0>?60;%

� :��������� ������� #�!@ �>>&�%�>A�'0&�BA�

&;%B�&'0AC&'CD 6 �� ���� ������ � %&&' ( � ��� ������ )�*� � ����� ���� ���

499@ � & ; % B � & ' 0 A < & ' = & & ; > ' � E

��� ����� ����� � ������������� ������ ����

��� ���� �� ������� ������� ��� ��� ���� �� ���

��� � ,��-./�0- ��������� ���"���� ��� ��� ����

��� � �� � ��� �� ���� ���������� � ��� ������

������� ��� ��� �������� ����� �������� 9� � �� ����

����� ������� ����� � ������ ������� $�� ����

� �� ������

��"�� �� ����� �� �������� ��� ��������� ���� ��

�� $������ �� ��� ��� �� �� � ���� � � :�- ���"��� ��

��������� �� ��� ,��-./�0- ������������ ��� ������

����� $������ ���� �� �� � ���� ��� ��� ����������

�� ��� �� ��� ����� �������� �� ��� ��� ���� �� ���

���� �� '%�&A �� �� ��� ����"� �� ��� ���� '�0? ���

��� ���� �� ��� ���� �� ���� �� E0�E ��� ��� ����

������ � �� ���� �� ��������� ����� � ��� � #��� %�

� ���� �� %EAE ����" � ���� ������� ��� ���� � ��� ��

����� ��� ���� ������� ';&& � ����� ���� ��� � ���

���� � BE0?� ��� ����" � ���� �������� ��� ���� ���

�� ��������� ���� �� ����� ��������

��� ���� �� ����� � �������� ���� � ���� �������

���� � ��� ��� �� ������� � � ����� ����� ��� ���� �������

���� ���@

.���F���� � � 0�AA� '&0 �4��

����� � >�;� '&�A "����0� 4����F ����� � &�0

��� ������ �� ������ ������ � ���� ���� ��������

��� � ��������� ( ���� :�� ��� ������� �� �� �����

��� �������� �������� ���� ���� ���� ������� ��� ��� ���

������� �������� ��� ������� ������ ���� &�& �� &�0�

��� ��� ����� ������� �������� ��� � � ��� ���� ��

��� ������ �� ��� ������ ��� ���� ��� ����� ��� ���� ��

�!�� ��� ������ �� ��� ��� ���� ���� (��� ��� ����

���" ����� B � �� ���������� �����

��� ���������� �� �� � � $��������� �������� �

��� ���� � ,��-./�0- � ����� � � �!� ���� ������

� ��� #�� ��� ������� ��� ��� ���� ������ �� ����

#��� '� -������ �� �� �� ������ ������ ��

#��� %� #������ ���� ���� �� �� $������ �� ��� ��� �� �����

����� ���� <�4�=

&�&&E '>�0

&�E&& %%&�&

%�& BAE�&

0>> ' (����� '�')' *����� + ) ���� �������� ��������� �������� ��# ,-���. /012/#-

#��� 0� ,����� ������@ <�= ��� ���� 9� <�= ��� ���� 99�

#��� B� -��������� �� �$�� � �� ��� � ��� �������� ��� ��� ��� ����� ����

' (����� '�')' *����� + ) ���� �������� ��������� �������� ��# ,-���. /012/#- 0>;

���� ������ ��� ��� �"� � ����� ���������� ����� ����

� ��� ��� "����� ����� �� ������������ "��� �� �� ������

� � � ���� ��� ������ ������ � ��� ��� ���� � �� ���� ��

9 ��� ��� ��� ����� ���� ��� ����� 3��� ������ ��

��� �!�� �������� ���� ��� �� �� ��� � �" ���� ����

��� ���� ���� ��� ��� ������ �� ����� ��� ��� ��� ���

���� ��������� #��� 0 ��� ��� ������ �� ������ )���

��� ���� ���� ������� ��� ��� � ���6���� �������� �������

�� &�0�

� ������� �� ����������

��� ��� ��������� ������ ��� ��� ����� ������ �

��� ���� �� ����� ������ ���� #�� ��� ��� ��� ����� ���

����� ������ �� ����� �� � ����� ���� �������� �� ���

���� ��� ����� ��� �!�� ��� ������ ��� �� ��� ���

�� � �$�� ����� ��� ��� ���� ����� ��� ����� ���� ����

�� ������ ����� � ��� ���� ��� ���� �� �� "��� ���

�������� �������� ����� �� � ���� ������� �� �� �

�� ��� � � ��� � � ��� �!�� �������� �� ��� � �������

���� ������ ��������� ��� �� � ���

#��� B ��� ��� ���������� �� �$�� � �� ���� �� � �

���� � ��� ��� ���� 9� �� �� �� ���� ����� � � ��� �����

� ��� ���������� ������� ���� ��� ��� �������� ��

�� ����� �� ���� ��� ���� � ���� � ��������� ���

� ��� ��� �� � ���� � ��� ���� ��� ���� � ����

��� ���� �� � ���� � ��� ��� ��� #�� �!��� �� ���

��!���� �$�� � �� ��� � ��� ��� ��� ���� ��

#��� E� -��������� �� ���� � ����"� �������� �� ��� ���� ��� ���� ��� �����

0;& ' (����� '�')' *����� + ) ���� �������� ��������� �������� ��# ,-���. /012/#-

';'�% �4� ��� � ���� �� � ���� � ��� ���� ��� ��

'?0�> �4�� ��� � ��� �� ��� ������ �� ��� �!�� ��������

���� �� ������� �������� ��� ��� � ��� ���� ���

����� ������ ���� ���� ��� ��� �� �� �� ��� �

�� � ���� ��� ������� �� � ������� ������� ��� �����

������ ��� ��� ���� ��� �� '&�&B �� � ����� � �����

������ �� ''�> �� �� � ���� � ��� ��� ��� ����� ���

����� ������ �� ���� � � � ��� ���� ���� ��� ��

������ ���� � �� �� � �� ���� ����� ������ ��� �� �

����� � ��� �� ��� ����� � ������ �� ���

-��������� �� ���� � ��� ����"� �������� �� ���

���� � ������� � #��� E � � ��� ��� �� �������

���� ��� ��� ������� �� � ���� �� ��� ���� �����

������ �� ���� ��������� � ����"� ��� ���� �� � ����

�� ��� ��� ����� ������� ��� ����"� ���� ���� ��� ���

��� ������ � ���� �&�B0' �� �&�BA'� ��� � ��� ��� ����

������ ��� ���� � �����&�%A; ���&�B%0� ��� ���� ����

�� ���� �� ��� ��� ����� ��� �� ��� ������� � ���� ���

��� � ��� � #��� A �� �� ��� ���� ���� ��� �� ���

����� �!�������� �!�� �������� ��� ���� ������ �

��� ���� ��� ���� ��� ����� ����� ������ �� "���

�� ��� � � �� ��� �������� ��� ����� ��� � ����� �� ��

���� ������� ���� ��� ���� �� �� ��� �� ��� �����

��� ��� � � ����� ������ )����� �� � ������ ��

��� � �� ���� � �� ��� � ���� ����� ������ � ���

���� ��� �� ��� ���� ����� ������� ���� ��� ��� ��

�� ����� � ��� ���� �� ��� �����

� �����������

������������� ������ ���� ��� ���� ���� ����

���� ��� ��� �� �� ������ �� �������� ���� ������� �����

��� ���� � ����� ��� ���� �� ���� 9 ��� ��� ����

#��� A� ����� ���� �� ��� ��� ����� ��� �� ��� �������� � ��� ������� ���� � �� �� ��� ����� �������

' (����� '�')' *����� + ) ���� �������� ��������� �������� ��# ,-���. /012/#- 0;'

��� ����� 3��� ������ �� ����� ����� �������� �� ���

���� ��� ����� ��� ������ �� ����� �� � ���� �����

#�� ���� ��� ���� ��� �!�� �������� �� ��� ���� ��

�� ��� ��� �� � �$�� ����� 9� �� �� ���� ��� ��� � ����

� ������ ��� ����� ������ �� � ���� � ��� ���� ��� ��

���� � �� ��� ��� �� ���� ������� � ��� ������ ��

����� � ���� ������� 9� �� � � ��� ��� ���� ��� ���

����� ������ � ����� �� � �������� �� ��� �!��

��������� ��� ������� �� � ���� ��� �� ��� �� ���

� ���� ����� � ��� ���6���� ��������� ��� ��� � �

�� ���� ��� ����� ������ ���� � ��� ����� �� �� � ��

���� ����� ������ ��� � �������� � ������ 9� �� �� ��

���� ��� ��� ���� ���� ����� � ��� � ���� �� ����� ���

����� ������ � ������ ��� �������� �� �� ��� ����

�� �� ������� � ����� � ����� � ����� ������ ��

��� ���� ������ ��� ���� �� ���� �

����������

5'7 �� ,���� �� :��"�������� �� G������ H��� I������ ������ �� ������

�� ����� ����� ���� 9�� <';?A= B'>6B%B�

5%7 H��� ������ �� G������ #� I���� 4� ����� #��� )� �� #����� ��

���� 8��� 9���� 4����� �� �!�� :�������� ��������

�� /��I: *9� ��(� ';?>� ��� %%>6%0E�

507 ������ ������ I���� ����"� ���������� ����� � ������ ��� �

�� �� ������ ��� �� ������ ��J���@ �!������� �� ����������

���������� �@ 4�������� �� ��� %%� ��-I :�������� ';>'�

��� E&?6E'A�

5B7 ������ ������ #����� �� ���� �� ������� ���� ������� �����

��� ������� �!�� ��� �� ����� ������@ ������ ��

�!�������� �@ 4�������� �� ��� 9�������� :������� �

-� � ���� �� -����� �� ���� � ���� �������� ';>0� ��� 'BA6'EE�

5E7 ������ ������ I� :������� ������ �� �� �� ������ �� �!����

������ �� ��������� �������@ �������� �� �!��������

��� � �� ���������� ���������� �@ 4�������� �� ��� %E�� ��-I

:�������� ';>E� ��� EB'6EB;�

5A7 �� 8���� -��������� ���� ���� ��� �������� � �� �$��� �� ��

������ ������ K 4��� '� ����� ���� 9�� A& <0CB= <';>0= '>'6'>E�

5?7 �� 8���� -��������� ���� ���� ��� �������� � �� �$��� �� ��

������ ������ K 4��� %� ����� ���� 9�� A& <B= <';>0= %%&6%%B�

5>7 ,����� #� ��� ���� � �L������ 8�� ����� ��� ������ �

���� ����� ���� ���(� �� (�� 9�� '&? <';>E= 0;%60;A�

5;7 ,����� #� ��� �� ���2�� ���� � �L������ �� �� �� ��� ��

���� ��� ������ � ���� ����� ��4� BE <';;B= 0>060>>�

5'&7 �� ����� H� ������� I������ ��� ��� �� �� ������ �� � ����

���� �!�� 6����� ������� ����� �� �� ��� ������� ��4� E'

<';;E= 0BA60E?�

5''7 M� ,���� �� ������� 4� M��"� �� H� �� �� ��� ������ �� �

� ����� ���� ����� � ���� ���� �� ��� ��� ���� �� ���� ������

������� ��4� %? <';;'= %0;6%A'�

5'%7 �� )����� #( ���� ���� �� 4�������� 4���� �� )�� ��� :�������

/������� ������ � 9������ #����� 4������ )� "����

I��������� ';;%� ��� E;E6A&&�

0;% ' (����� '�')' *����� + ) ���� �������� ��������� �������� ��# ,-���. /012/#-