Consititutive behaviour identification of anisotropic plasticity using non-linear VFM

The Virtual Fields Method (VFM) is an inverse technique that allows to identify the material parameters of a constitutive model using full-field strain data. In this research activity, the VFM is employed to characterize the anisotropic plasticity behaviour of metals. This aspect, in fact, is particularly important in many industrial processes such as sheet metal stamping and metal forming in general. So, the VFM is used accordingly with its formulation for the finite deformation theory. In such application, the identification of material parameters is performed through an iterative procedure; in this, the algorithm for the integration of constitutive equations has significant effects on accuracy and computational time. A fast computational method for stress reconstruction from strain data in general plasticity is formalized and validated. This algorithm, called Direct Method, is implemented in the VFM and will be exploited for all the analysis given below. The VFM, and the inverse methods in general, allow to consider heterogeneous strain fields for the identification, in order to introduce as much informations about the material as possible. This, also, leads to the development on new experimental procedures capable of collecting a large amount of material data. Employing the Digital image Correlation (DIC) as main tool for the full-field measurement, new experimental procedures are proposed, facing such problems as the optimization of specimens for the elasto-plastic behaviour characterization, the evaluation of the volume displacement from surface DIC measurements, the characterization of sheet metals through-thickness behaviour at large strains. The methodology applied relies on both numerical analysis and experimental validation. The last part is focused on the identification of the material parameters of an anisotropic plasticity model, the YLD2000-2D yielding criterion. The results coming from the inverse identification by means of VFM are compared with the standard procedure based on the uniaxial test at three material orientations and the equi-biaxial stress state by means of bulge test. This experimental investigation is extended on two AHSS steels, the BH-340 and TRIP-780, widely employed in automotive applications.

Il Virtual Fields Method (VFM) è una tecnica di identificazione inversa che permette di calibrare i paramtri di un generico modello costitutivo del materiale, impiegando campi di deformazioni misurati tramite tecniche full-filed. Nel lavoro di ricerca intrapreso, il VFM è utilizzato per la caratterizzazione del comportamento anisotropro del materiale in condizioni di plasticità. Tale aspetto, infatti, è particolarmente rilevante in molte applicazioni industriali come, ad esempio, processi di stampaggio e, più genericamente, di formatura. Dunque, il VFM è utilizzato secondo la sua formulazione per la teoria delle grandi deformazioni. In tali impieghi, l'identificazione dei parametri caratteristici del materiale è realizzata attraverso un processo iterativo; ne consegue che l'algoritmo d'integrazione delle equazioni costitutive adottato ha effetti sostanziali sull'accuratezza dei risultati e sui tempi di calcolo. A tal fine, un nuovo metodo computazionale per la ricostruzione delle tensioni di Cauchy è qui formulato ed analizzato. Grazie alle sue performances computazionali, questo algoritmo, definito Direct Method, costituisce uno degli strumenti fondamentali impiegati nella presente tesi. Il VFM, e più in generale i metodi inversi, permettono di considerare campi di deformazioni eterogenei ai fini dell'identificazione. Questo ha portato allo sviluppo di nuove procedure sperimentali, capaci di raccogliere un gran numero di informazioni sul comportamento del materiale. L'attività di ricerca si è dunque interessata anche dello studio di nuovi protocolli sperimentali, affrontando tre temi principali: l'ottimizzazione di provini per la caratterizzazione del comportamento elasto-plastico di lamiere, la valutazione del campo di deformazione all'interno del materiale a partire da misure di superficie tramite DIC, la caratterizzazione del comportamento lungo lo spessore di laminati sottili. La metodologia seguita si basa sull'impiego di analisi numeriche non-lineari agli Elementi Finiti come strumento di sviluppo e la successiva verifica sperimentale. La parte finale è dedicata all'identificazione dei parametri costitutivi di un modello di plasticità anisotropa complessa, lo YLD2000-2D. I risultati derivanti la calibrazione effettuata con il VFM sono confrontati con la procedura standard, la quale prevede l'impiego di dati da prove uniassiali a tre differenti orientazioni del materiale e relativi alla condizione di equi-biassialità, ottenuta tramite bulge test. Tale attività sperimentale è applicata a due acciai AHSS impiegati nell'industria dell'automotive: il BH-340 ed il TRIP-780.