Underwater explosive forming of thin metallic plates using repeated blast loading: improving die filling while controlling thinning

Sintesi Tecnica: Formatura di Piastre Metalliche Sottili mediante Esplosione Subacquea con Carico d'Urto Ripetuto

Definizione del Problema
La formatura esplosiva subacquea (UEF) offre una via flessibile per la modellazione di lamiere metalliche, in particolare per componenti complessi, grandi e assialmente simmetrici. Tuttavia, la formatura convenzionale a colpo singolo a temperatura ambiente presenta limitazioni significative. L'aumento della massa della carica esplosiva per ottenere il pieno riempimento della matrice comporta spesso un assottigliamento eccessivo, una deflessione inversa nella regione centrale dovuta alla collisione con il fondo della matrice e potenziali lacerazioni. La ricerca precedente si è concentrata principalmente sulla formatura libera a colpo singolo o sulla deformazione di componenti di grandi dimensioni, lasciando una lacuna nella comprensione di come l'ottimizzazione del carico d'urto ripetuto possa migliorare la formabilità durante la formatura in matrice femmina, controllando al contempo l'assottigliamento.

Metodologia
Questo studio impiega un approccio combinato sperimentale e numerico per investigare la formatura in matrice di piastre di Ferro Armco da 3 mm di spessore utilizzando carichi d'urto subacquei ripetuti.

• Configurazione Sperimentale: I test sono stati condotti utilizzando cariche di esplosivo PE4 con masse variabili (da 2 g a 15 g) e distanze di standoff (215 mm). Lo studio ha confrontato gli scenari a colpo singolo (SB), doppio colpo (DB) e triplo colpo (TB). Nella modalità di carico ripetuto, la piastra rimaneva nella configurazione e le cariche successive venivano detonata alla stessa distanza di standoff. Il numero di esplosioni è stato limitato a tre, poiché un quarto colpo non mostrava effetti significativi sulla deformazione o sull'assottigliamento.
• Modellazione Numerica: Un approccio accoppiato Euleriano-Lagrangiano (CEL) è stato implementato in ABAQUS/Explicit per simulare la deformazione ad alto tasso di deformazione (high strain-rate).
  • Materiali: Sono stati utilizzati i modelli costitutivi di resistenza e danno di Johnson–Cook (JC) per la piastra di ferro, tenendo conto degli effetti di deformazione, velocità di deformazione e temperatura.
  • Equazioni di Stato (EoS): L'EoS di Jones–Wilkins–Lee (JWL) ha modellato i prodotti della detonazione, l'EoS di Mie–Grüneisen ha modellato l'acqua e l'EoS del gas ideale ha modellato l'aria.
  • Strategia di Simulazione: Il carico ripetuto è stato simulato utilizzando un processo multi-step in cui la fase di deformazione (1 ms) era seguita da un evento di reset (1 ms) per consentire lo scarico e l'oscillazione prima del colpo successivo. Le tensioni e le deformazioni residue sono state preservate tra i passaggi.
  • Validazione: Il modello numerico è stato validato rispetto ai dati sperimentali riguardanti i profili di deformazione e la distribuzione dello spessore, mostrando un errore di previsione massimo inferiore al 10%.

Contributi Chiave e Risultati

1. Limitazioni della Formatura a Colpo Singolo:

   • L'aumento della massa della carica in un singolo colto (fino a 15 g) non ha permesso di raggiungere il 100% del riempimento della matrice, fermandosi all'81,4%.
   • Oltre una massa di carica di 4 g, la regione centrale della piastra ha subito una deflessione inversa a seguito della collisione con il fondo della matrice.
   • Masse di carica elevate hanno portato a un severo assottigliamento (fino al 36,7%) e a un'alta probabilità di lacerazione, particolarmente vicino alla periferia bloccata.
   • Si è riscontrato che la velocità di deformazione orizzontale è insensibile durante il primo colpo, limitando la capacità di riempire efficacemente gli angoli della matrice in un unico scatto.

2. Efficacia del Carico a Doppio Colpo:

   • Il carico ripetuto ha permesso il riempimento completo (100%) della matrice con una carica esplosiva totale inferiore rispetto ai tentativi a colpo singolo.
   • Una sequenza ottimizzata a doppio colpo (4 g nel 1° colpo, 8 g nel 2° colpo) ha ottenuto il riempimento totale con un assottigliamento massimo del 32,3%.
   • Tuttavia, lo studio ha rilevato che ottenere il riempimento completo con i doppi colpi richiedeva combinazioni di cariche specifiche; aumentare la seconda carica oltre i 5 g (quando la prima era di 5 g) portava alla lacerazione.

3. Vantaggi del Carico a Triplo Colpo:

   • Il carico a triplo colpo (ad esempio, 2 g, 5 g, 3 g) ha fornito l'equilibrio più favorevole, ottenendo il riempimento della matrice al 100% con un assottigliamento significativamente ridotto.
   • Il caso TB–2,5,3–B3 ha prodotto uno spessore minimo di 2,26 mm (24,7% di assottigliamento), inferiore ai migliori risultati del doppio colpo.
   • Fondamentalmente, la lunghezza della regione della piastra che subisce un assottigliamento oltre il limite di rottura del materiale (29%) era più breve nei casi di triplo colpo rispetto a quelli di doppio colpo.
   • I tripli colpi hanno permesso una deformazione più distribuita, riducendo la concentrazione di stress e deformazione nelle regioni centrali e perimetrali.

4. Analisi di Stress e Danno:

   • I risultati numerici hanno indicato che i campioni formati con tripla esplosione esibivano valori inferiori di stress di Von Mises, deformazione plastica equivalente (PEEQ) e parametri di inizio del danno di Johnson–Cook (JCCRT) rispetto alle doppie esplosioni.
   • Mentre le doppie esplosioni mostravano concentrazioni di stress più elevate (zone rosse), le tripli esplosioni hanno prodotto livelli di stress che rimanevano entro limiti più sicuri (zone verdi/gialle), eliminando efficacemente le regioni danneggiate sulle facce del campione.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che l'uso di un carico d'urto subacqueo ripetuto, specificamente triplo, offra una tecnica di lavorazione superiore per la formatura in matrice femmina di piastre metalliche. Il significato primario risiede nella capacità di ottenere il riempimento completo della matrice controllando al contempo l'assottigliamento e riducendo la carica esplosiva totale necessaria.

Gli autori affermano che questo metodo supera i limiti intrinseci della formatura a colpo singolo, come la deflessione inversa e l'incapacità di riempire completamente la matrice senza causare lacerazioni. Distribuendo l'apporto di energia attraverso più colpi ottimizzati, il processo minimizza le alte concentrazioni di stress e l'inizio del danno, migliorando così la formabilità del materiale. Lo studio conclude che, sebbene i doppi colpi possano raggiungere il riempimento completo in condizioni specifiche, i tripli colpi offrono un intervallo più ampio di parametri validi e un controllo superiore sulla distribuzione dell'assottigliamento, rendendoli una soluzione più robusta per le applicazioni di formatura ad alta velocità di deformazione.