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

Resumo Técnico: Conformação de Chapas Metálicas Finas por Explosão Subaquática Utilizando Carregamento de Detonação Repetida

Definição do Problema
A conformação por explosão subaquática (UEF) oferece uma rota flexível para a conformação de chapas metálicas, particularmente para componentes complexos, grandes e de simetria axial. No entanto, a conformação por explosão única convencional à temperatura ambiente apresenta limitações significativas. O aumento da massa da carga explosiva para alcançar o preenchimento total da matriz resulta em afinamento excessivo, deflexão reversa na região central devido à colisão com o fundo da matriz e potencial ruptura. Pesquisas anteriores concentraram-se amplamente na conformação livre de explosão única ou na deformação de componentes grandes, deixando uma lacuna na compreensão de como o carregamento de detonação repetida pode ser otimizado para a conformação em matriz feminina para melhorar a conformabilidade e controlar o afinamento.

Metodologia
Este estudo emprega uma abordagem experimental e numérica combinada para investigar a conformação em matriz de chapas de Ferro Armco® de 3 mm de espessura em uma matriz feminina (profundidade de 20,1 mm, raio de 50 mm) utilizando carregamento de detonação subaquática repetida.

• Configuração Experimental: Os testes foram realizados utilizando cargas de explosivo PE4 com massas variadas (2 g a 15 g) e distâncias de afastamento (215 mm). O estudo comparou os cenários de explosão única (SB), dupla explosão (DB) e tripla explosão (TB). Na carga repetida, a chapa permaneceu na configuração, e as cargas subsequentes foram detonadas na mesma distância de afastamento. O número de explosões foi limitado a três, pois uma quarta explosão não apresentou efeito significativo na deformação ou no afinamento.
• Modelagem Numérica: Uma abordagem de Euler-Lagrangiano Acoplado (CEL) foi implementada no ABAQUS/Explicit para simular a deformação de alta taxa de deformação.
  • Materiais: Os modelos constitutivos de resistência e dano de Johnson–Cook (JC) foram utilizados para a chapa de ferro, considerando os efeitos de deformação, taxa de deformação e temperatura.
  • Equações de Estado (EoS): A EoS de Jones–Wilkins–Lee (JWL) modelou os produtos de detonação, a EoS de Mie–Grüneisen modelou a água e a EoS de gás ideal modelou o ar.
  • Estratégia de Simulação: O carregamento repetido foi simulado usando um processo de múltiplas etapas onde a etapa de deformação (1 ms) foi seguida por um evento de reset (1 ms) para permitir o descarregamento e a oscilação antes da próxima detonação. As tensões e deformações residuais foram preservadas entre as etapas.
  • Validação: O modelo numérico foi validado contra dados experimentais referentes aos perfis de deformação e distribuição de espessura, apresentando um erro de previsão máximo inferior a 10%.

Principais Contribuições e Resultados

1. Limitações da Conformação por Explosão Única:

   • O aumento da massa da carga em uma única explosão (até 15 g) falhou em atingir 100% do preenchimento da matriz, alcançando no máximo 81,4%.
   • Além de uma massa de carga de 4 g, a região central da chapa sofreu deflexão reversa ao colidir com o fundo da matriz.
   • Altas massas de carga levaram a um afinamento severo (até 36,7%) e a uma alta probabilidade de ruptura, particularmente próximo à periferia fixada.
   • A velocidade de deformação horizontal mostrou-se insensível durante a primeira explosão, limitando a capacidade de preencher os cantos da matriz de forma eficaz em um único disparo.

2. Eficácia do Carregamento de Dupla Explosão:

   • O carregamento repetido permitiu o preenchimento completo (100%) da matriz com uma carga explosiva total menor em comparação com as tentativas de explosão única.
   • Uma sequência de dupla explosão otimizada (4 g na 1ª explosão, 8 g na 2ª explosão) alcançou o preenchimento total da matriz com um afinamento máximo de 32,3%.
   • No entanto, o estudo observou que alcançar o preenchimento total com duplas explosões exigia combinações específicas de carga; aumentar a segunda carga além de 5 g (quando a primeira era de 5 g) levava à ruptura.

3. Vantagens do Carregamento de Tripla Explosão:

   • O carregamento de tripla explosão (por exemplo, 2 g, 5 g, 3 g) proporcionou o equilíbrio mais favorável, alcançando 100% de preenchimento da matriz com redução significativa do afinamento.
   • O caso TB–2,5,3–B3 resultou em uma espessura mínima de 2,26 mm (2ando 24,7% de afinamento), que foi inferior aos melhores resultados de dupla explosão.
   • Crucialmente, o comprimento da região da chapa que apresenta afinamento além do limite de ruptura do material (29%) foi menor nos cenários de tripla explosão em comparação com os de dupla explosão.
   • As triplas explosões permitiram uma deformação mais distribuída, reduzindo a concentração de tensão e deformação nas regiões central e periférica.

4. Análise de Tensão e Dano:

   • Os resultados numéricos indicaram que as amostras conformadas com triplas explosões exibiram menores tensões de Von Mises, deformação plástica equivalente (PEEQ) e parâmetros de iniciação de dano de Johnson–Cook (JCCRT) em comparação com as duplas explosões.
   • Enquanto as duplas explosões mostraram concentrações de tensão mais altas (zonas vermelhas), as triplas explosões resultaram em níveis de tensão que permaneceram dentro de limites seguros (zonas verdes/amarelas), eliminando efetivamente as regiões danificadas nas faces da amostra.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o uso de carregamento de detonação subaquática repetida, especificamente a tripla, oferece uma técnica de processamento superior para a conformação de matriz feminina de chapas metálicas. A principal significância reside na capacidade de alcançar o preenchimento completo da matriz enquanto se controla o afinamento e se reduz a carga explosiva total necessária.

Os autores sustentam que este método supera as limitações inerentes da conformação de explosão única, como a deflexão reversa e a incapacidade de preencher a matriz completamente sem ruptura. Ao distribuir a entrada de energia através de múltiplas explosões otimizadas, o processo minimiza as altas concentrações de tensão e a iniciação de danos, melhorando assim a conformabilidade do material. O estudo conclui que, embora as duplas explosões possam alcançar o preenchimento total sob condições específicas, as triplas explosões oferecem uma gama mais ampla de parâmetros viáveis e um controle superior sobre a distribuição do afinamento, tornando-as uma solução mais robusta para aplicações de conformação de alta taxa de deformação.