| Abstract | Wire crimping, a process commonly used in the automotive industry, is a solderless method for establishing electrical and mechanical connections between wire strands and terminals. The complexity of predicting the final shape of a crimped terminal and the imperative to minimize production costs indicate the use of advanced numerical methods. Such an approach requires a reliable phenomenological elasto-plastic constitutive model in which material behaviour during the forming process is described. Copper alloy sheets, known for their ductility and strength, are commonly selected as terminal materials. Generally, sheet metals exhibit significant anisotropy in mechanical properties, and this phenomenon has not been sufficiently investigated experimentally for copper alloy sheets. Furthermore, the wire crimping process is conducted at higher velocities; therefore, the influence of the strain rate on the terminal material behaviour has to be known.
The influence of the strain rate on the anisotropic elasto-plastic behaviour of the copper alloy sheet CuFe2P is experimentally investigated. Tensile tests with strain rates of 0.0002 s−1, 0.2 s−1, 1 s−1, and 5.65 s−1 were conducted on sheet specimens with orientations of 0°, 45°, and 90° to the rolling direction. The influence of the strain rate on the orientation dependences of the stress–strain curve, elastic modulus, tensile strength, elongation, and Lankford coefficient was determined. In addition to the uniaxial tensile test, cylindrical cup deep drawing, non-standard compression test and crimping process were made. With the usage of DIC and IRT methods, it was feasible to determine the thermoplastic behaviour of the material during the forming process.
The numerical model for the wire crimping process is established, incorporating the description of anisotropic elasto-plastic material behaviour at different strain rates, thermoplasticity, and an advanced contact algorithm, such as cohesion. Based on the numerical results the main aim of this study was achieved, to determine the optimum compression of terminals with predefined mechanical properties of wires and terminal joint. |
| Abstract (croatian) | Sve stroži zahtjevi u autoindustriji u pogledu pouzdanosti i sigurnosti, zajedno s upotrebom novih materijala, oblika konstrukcijskih komponenata i tehnologija proizvodnje mogu se realizirati jedino primjenom naprednih metoda analize konstrukcije i opisivanja ponašanja materijala. Ovo je slučaj i kod postupka krimpanja (stezanja), odnosno čvrstog spajanja žica i tankih metalnih ploča (eng. terminal, u literaturi na hrvatskom jeziku često korišten izraz kabelska stopica), koji sve više zamjenjuje proces lemljenja. Dinamičkim procesom deformiranja krimpanjem omogućuje se oblikovanje kabelske stopice i žica u gotov proizvod kroz mehaničko deformiranje bez dodavanja materijala. Iz tog razloga je postupak krimpanja izrazito rasprostranjen u autoindustriji, za razliku od lemljenja koji je dosta složeniji i skuplji postupak jer iziskuje unos topline i dodatni materijal. Kabelska stopica se nakon krimpanja znatno deformira i poprima novi oblik u kojem krila stopice obuhvaćaju bakrene žice u cijelosti. Pritom kontaktna površina između bakrene žice i krila stopice znatno utječe na mehanička svojstva i na električni otpor. Kabelske stopice se obično proizvode iz legiranih bakrenih traka koje se postupkom valjanja stanjuju na željenu debljinu. Osim promjene debljine, valjanje uzrokuje promjenu čvrstoće, duktilnosti i anizotropije mehaničkih svojstava materijala.
Tijekom postupka krimpanja materijal ulazi u plastično područje te se trajno deformira u željeni oblik. Velike brzine deformiranja uzrokuju oslobađanje toplinske energije uslijed pojave plastične deformacije u materijalu. Tijekom dinamičkog procesa deformiranja kabelske stopice i žice, unutar materijala generira se toplinski tok te dolazi do lokalnog porasta temperature. Uslijed razlike temperatura unutar materijala dolazi do provođenja topline. Ukoliko je temperatura zakrimpane stopice nakon deformiranja viša od temperature okolišnjeg medija, javlja se prijenos topline konvekcijom između okolišnjeg medija i kabelske stopice. Osim toga, toplina se oslobađa uslijed trenja između licni žice te između licni žice i stopice tijekom tlačenja. Kako se proces krimpanja odvija u kratkom vremenu, može se pretpostaviti da je proces adijabatski.
Za optimizaciju postupka definiranje konačnog oblika zakrimpane kabelske stopice uz smanjenje troškova razvoja i proizvodnje, u zadnje vrijeme primjenjuje se metoda konačnih elemenata (MKE) čime se numeričkom simulacijom nastoji zamijeniti, odnosno nadopuniti skupi eksperiment. Značajan utjecaj na točnost numeričkog postupka ima odabir konačnih elemenata, formuliranje konstitutivnih modela s pripadnim karakteristikama materijala te opisivanje rubnih uvjeta, dinamičkih efekata, geometrijske nelinearnosti, trenja, elastičnog povrata, prijenosa topline i velikih kontaktnih pritisaka. U literaturi je izveden niz algoritama, no samo rijetki objedinjuju veći dio nabrojenih efekata.
Zbog izrazito nelinearnog ponašanja materijala uslijed velikih deformacija pri velikim brzinama deformiranja, za modeliranje procesa krimpanja jako je važno što točnije opisati realno ponašanje materijala. Dostupni podaci svojstava materijala ne opisuju dovoljno točno ponašanje materijala pri velikim deformacijama i velikim brzinama deformiranja. Osim toga, važna je procjena faktora trenja. Istraživanja se provode s ciljem modeliranja trenja tijekom postupka oblikovanja deformiranjem primjenom analitičkih, eksperimentalnih i numeričkih metoda. Ovisnost faktora trenja o kontaktnom pritisku te utjecaj adhezije i pojave brazdi na površini materijala se sve više istražuje. U radovima koji se bave problematikom krimpanja analiziran je također utjecaj izbora faktora trenja, kao i utjecaj elastičnog povrata na konačni oblik zakrimpane kabelske stopice u numeričkim analizama. Zaključeno je da adhezija ima veliki utjecaj u procesu krimpanja na elastični povrat materijala.
Za rješavanje problema nelinearnog nestacionarnog prijenosa topline spregnutog s materijalno i geometrijski nelinearnom mehaničkom analizom općenito se primjenjuju dvije metode: potpuno spregnuta i sekvencijalno spregnuta analiza. Za slučaj krimpanja primjenjuje se potpuno spregnuta analiza, gdje se toplinska i mehanička analiza odvijaju istovremeno u jednom koraku. Kada se brzina generiranja topline uslijed disipacije mehaničke energije može zanemariti u analizi prijenosa topline, uobičajeno se primjenjuje sekvencijalno spregnuta toplinsko-mehanička analiza. Nadalje, za integriranje toplinskih jednadžbi i jednadžbi gibanja vremenska derivacija obično se aproksimira primjenom implicitnih i eksplicitnih metoda konačnih razlika. Implicitna vremenska integracija uključuje uzastopna računanja velikog broja jednadžbi, tako da za slučaj dinamičke analize kontakta i trenja klizanja postaje dosta neučinkovita, jer se kod implicitne metode javlja problem konvergencije. Stoga se za nelinearne dinamičke simulacije oblikovanja deformiranjem, odnosno krimpanja, najviše primjenjuje eksplicitna metoda. Eksplicitna metoda je puno zahtjevnija u pogledu računalnih resursa, ali uz umjetno povećanje gustoće materijala vrijeme trajanja simulacija se može drastično smanjiti, no uz mogućnost pojave nefizikalnih rezultata. Prvotni numerički modeli procesa krimpanja bili su dvodimenzijski (2D). Ovi modeli nisu mogli točno opisati uzdužna produljenja bakrene žice, kao i zaostala naprezanja za daljnja istraživanja elastičnog povrata, ali su mogli poslužiti za procjenu geometrije zakrimpane kabelske stopice na žicu. U zadnje vrijeme, povećanjem računalnih resursa počele su se provoditi i trodimenzijske (3D) simulacije. Utjecaj konstitutivnog modela, elastičnog povrata i faktora trenja na konačni oblik željenog proizvoda analiziran je u radovima. Pritom se simulacija procesa deformiranja provodi eksplicitnom metodom, a elastični povrat korištenjem implicitne metode. Ovaj pristup daje nešto točnije rezultate, ali vrijeme računanja se znatno povećava zbog prisutne nelinearnosti, kontaktnih pritisaka i trenja klizanja.
Provođenje eksperimentalnih istraživanja je ključni korak u razumijevanju i modeliranju ponašanja materijala tijekom procesa krimpanja. Eksperimentalna istraživanja u ovom radu usmjerena su na određivanje i analizu mehaničkih svojstava za dva različita materijala koji se koriste u procesu krimpanja: čistog bakra (Cu-ETP) i bakrene legure (CuFe2P). Svojstva čistog bakra se koriste za materijalno modeliranje žice, dok se bakrena legura koristi za modeliranje kabelske stopice. Vlačna ispitivanja provedena su na uzorcima lima bakrene legure CuFe2P kako bi se odredila mehanička svojstva pri različitim brzinama deformacije. Uzorci su izrađeni rezanjem ploča debljine 0,8 mm, a ispitivanja su obuhvatila različite orijentacije uzoraka u odnosu na smjer valjanja (0°, 45° i 90°). Korištene brzine deformiranja pri vlačnom ispitivanju su 0,0002 s−1, 0,2 s−1, 1 s−1, i 5,65 s−1. Kako bi se precizno izmjerila deformacija uzoraka tijekom ispitivanja, korištena je metoda korelacije digitalne slike (DIC). Uzorci su obojeni stohastičkim uzorkom (crne točke na bijeloj podlozi) kako bi se omogućilo praćenje pomaka i deformacija uzoraka tijekom rastezanja. Uz DIC metodu, korištena je i infracrvena termografija za mjerenje porasta temperature na površini uzoraka, čime se dobiva uvid u termoplastično ponašanje materijala tijekom deformacije. Također su provedena i kompresijska ispitivanja Cu-ETP i CuFe2P limova, pri različitim brzinama. Tijekom ispitivanja, također je korištena metoda digitalne korelacije slike i termografija.
Eksperimentalna ispitivanja postupka krimpanja provedena su pomoću aplikatora za krimpanje integriranog na hidrauličku kidalicu, kako bi se ostvarile što veće brzine krimpanja. Cilj je bio simulirati proces krimpanja u kontroliranim uvjetima pri različitim brzinama, od kvazistatičkih do dinamičkih uvjeta. Korištenjem DIC i IR metoda, dobivene su vrijednosti deformacija i prirasta temperature na mjernom području, kako bi se rezultati mogli usporediti s rezultatima numeričkih modela.
Postavljen je numerički model procesa krimpanja žice koji uključuje anizotropno ponašanje materijala u ovisnosti o brzini deformiranja, termoplastičnost, te napredni kontaktni algoritam, kao što je kohezija. Kako bi se ocijenila točnost numeričkih simulacija, rezultati su validirani eksperimentalnim podacima. To uključuje usporedbu deformacija, naprezanja i temperatura dobivenih simulacijom s onima izmjerenim tijekom eksperimentalnih ispitivanja.
Numerički rezultati su pokazali visoku razinu podudaranja s eksperimentalnim podacima, uz realno opisivanje anizotropnog ponašanja materijala za slučaj velikih deformacija i brzina deformiranja, kontakta, trenja te elastičnog povrata. Navedenom numeričkom formulacijom provedena je evaluacija mehaničkih svojstava zakrimpane kabelske stopice te je omogućena izrada kabelske stopice s unaprijed definiranim mehaničkim svojstvima.
Provedena istraživanja i rad tijekom izrade ove disertacije rezultirali su sljedećim znanstvenim doprinosima u području numeričke mehanike:
• Vlačnim ispitivanjima je dokazana izraženost anizotropije, odnosno ovisnost mehaničkih svojstava razmatrane bakrene legure o orijentaciji uzorka u odnosu na smjer valjanja.
• Pokazano je kako brzina deformiranja utječe na mehanička svojstva bakrene legure kao što su vlačna čvrstoća, istezljivost, modul elastičnosti i Lankfordov parametar. S povećanjem brzine deformiranja općenito se povećava vlačna čvrstoća i istezljivost materijala u svim ispitanim usmjerenjima epruveta, dok modul elastičnosti ostaje konstantan.
• Vlačnim ispitivanjima je pokazano da se Lankfordov parametar mijenja s iznosom deformacije čime se dovodi u pitanje uobičajena pretpostavka da je konstantan.
• Pokazano je kako neelastični toplinski udio (eng. Inelastic Heat Fraction) varira s brzinom deformiranja i orijentacijom uzorka u odnosu na orijentaciju uzorka s obzirom na pravac valjanja, što ukazuje na to da sposobnost materijala da pretvori plastični rad u toplinu nije konstantna vrijednost.
• Pokazano je kako brzina deformiranja i orijentacija uzorka utječe na kut loma uzorka materijala.
• Na temelju eksperimentalnih rezultata predložen je numerički model za simuliranje procesa deformiranja materijala kabelske stopice i žice.
• Definiran je učinkovit numerički model za simulaciju procesa krimpanja žica. To omogućuje točnije numeričko modeliranje procesa oblikovanja deformiranjem u odnosu na postojeće algoritme.
• Izvršena je validacija predloženog numeričkog modela primjenom metode korelacije digitalne slike i infracrvene termografije.
• Rezultati istraživanja omogućuju dobivanje kabelske stopice s unaprijed definiranim mehaničkim svojstvima.
Provedeno istraživanje je u doktorskom radu prikazano kroz osam poglavlja. U prvom poglavlju dan je uvod u rad koji opisuje polje istraživanja te su navedeni motivacija, svrha, hipoteze i ciljevi rada. Prikazan je pregled dosadašnjih teorijskih, eksperimentalnih i numeričkih istraživanja procesa oblikovanja tankih metalnih ploča. Navedena bibliografija sadrži relevantne radove za razmatrano područje.
Drugo poglavlje uključuje opis procesa krimpanja i pojave anizotropije materijala u tijeku proizvodnje kabelske stopice. Treće poglavlje pruža temeljiti opis metoda mjerenja primijenjenih u ovom radu što uključuje uređaje za vlačno ispitivanje, mehaničke ekstenzometre, uređaj koji se temelji na metodi korelaciji digitalne slike (DIC), infracrvenu kameru te uređaj za računalnu tomografiju. U četvrtom poglavlju prikazani su rezultati eksperimentalnih istraživanja mehaničkog ponašanja materijala koji se koriste u procesu krimpanja: čistog bakra (Cu-ETP) i bakrene legure (CuFe2P). Pritom su svojstva čistog bakra korištena za materijalno modeliranje žice, dok su svojstva bakrene legure korištena za modeliranje kabelske stopice. U petom poglavlju dan je sažeti prikaz izraza za opisivanje elastoplastičnog anizotropnog ponašanja materijala što uključuje kriterije tečenja, očvršćenje materijala, pridruženo i nepridruženo pravilo tečenja materijala te termoplastičnost. U šestom poglavlju prikazan je numerički model za simulaciju procesa krimpanja primijenjen u ovom radu, a koji se temelji na metodi konačnih elemenata. Usporedba rezultata numeričkih simulacija i eksperimentalnih ispitivanja dana je u sedmom poglavlju. Najprije je provedena validacija numeričkog modela na jednostavnijim primjerima kao što su ispitivanje dubokog vučenja i kompresijsko ispitivanje bakrenih limova, a zatim je numerički model validiran na složenom ispitivanju procesa krimpanja žica, odnosno čvrstog spajanja žica i kabelske stopice.
U zadnjem poglavlju rada dani su zaključci istraživanja. Osim toga, dane su preporuke za odabir mogućih smjerova daljnjih istraživanja. |
