SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Ahmad Rezaian
عباس قائی (استاد راهنما) احمد رضائیان (استاد مشاور)
STUDENT
Saeed Rahmati
سعید رحمتی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Numerical implementation of high strain rate constitutive model for simulation of cold spray process
Cold spray is a relatively modern process used for coating and producing new stuff. In this process, the solid particles are accelerated to the substrate using a low temperature supersonic gas flow. The particles possess a large kinetic energy due to their high velocity. As a result, both particles and substrate go through a severely large deformation in this process which causes a strong bonding with them. The rate of deformation in cold spray process spans a wide range, i.e. usually from 10 9 to zero s -1 . The experimental study of this process is generally very difficult as the deformation occurs in a very short period of time and also in very small region. Therefore, numerical simulation of the process can provide insight into this process. Many numerical studies have been carried out in the literature in order to study this process in more depth. Despite the inability of Johnson-Cook plasticity model in prediction of material behavior at high strain rates, it is the model that has been frequently used in simulation of cold spray. Therefore, this research was devoted to compare the performance of different material models in the simulation of cold spray process. Six different material models, appropriate for high strain rate plasticity, were implemented into ABAQUS commercial code via VUHARD user subroutine. Then, the subroutines were used to simulate the cold spray process for pure copper. The simulations were carried out using two methods: a) conventional Lagrangian elements (FEM), and b) smoothed particle hydrodynamics method (SPH). The simulation results were compared with the previously published experimental data. The results of this study showed that the material model had a considerable effect on the predicted deformed shape. The results of FEM showed that the Johnson-Cook model underestimated the flow stress at both of high strain rate and large plastic strain and, therefore over predicts the particles deformation in the cold spray process. Against the Johnson-Cook model, some models overestimated the flow stress at high strain rate or large plastic strain i.e. Gao-Zhang, Voyiadjis-Abed and Modified Zerilli-Armstrong models. The PTW model predicts the flow stress fairly accurately at both of high strain rates and large plastic strain and, therefore predicts the deformation in the cold spray process fairly accurately. Also the jetting phenomenon that is very important in bonding mechanism in cold spray process, is only captured by some models i.e. Johnson-Cook, PTW and Modified Khan-Huang-Liang models. Comparison of results of FEM and SPH method generally shows that results of both methods are almost similar. In the SPH method, particles do not rebound after impacting and adhere onto the substrate; this property may arise from the powerful capability of the SPH method for capturing the interfacial features. Keywords: Cold Spray Proce Numerical Simulation; Finite element method; Smooth particles hydrodynamics; Material model; High Strain Rate.
اسپری سرد یک فرآیند نسبتا جدید است که از آن برای پوشش دهی و ساخت قطعات جدید استفاده می شود. در این فرآیند ذره های پودر در دمای پایین به سمت زیرلایه یا لایه قبلی پرتاب می شود. به دلیل سرعت بالا در این فرآیند، ذره hy;ها در لحظه ی برخورد دارای انرژی جنبشی بسیار زیادی هستند که پس از برخورد باعث ایجاد تغییر شکل زیاد در ذره ها و زیرلایه شده و در نهایت سبب ایجاد پیوند های مولکولی محکمی بین ذره ها و زیرلایه می شود. همچنین به خاطر سرعت بالای ذره های پودر در زمان برخورد به زیرلایه، تغییر شکل ذره ها در نرخ کرنش های بسیار بالا (10 9 برثانیه) انجام می پذیرد. نرخ کرنش مذکور به نسبت فاصله از محل برخوردکاهش پیدا می کند. به همین دلیل نرخ کرنش در این فرایند از حدود 10 9 برثانیه تا صفر تغییر می کند که نشان می دهد این فرایند در محدوده ی وسیعی از نرخ کرنش ها انجام می پذیرد.به طور کلی مطالعات تجربی فرایندها بسیار هزینه بر می باشند. از این رو محققان تلاش می کنند تا راه های ساده تر و کم هزینه تری برای یافتن نتایج فرایند مورد نظر خود پیدا نمایند. یکی از این راه ها شبیه سازی فرایندها می باشد. شناخت توانایی های فرآیند اسپری سرد در ساخت پوشش ها و قطعات جدید از مواد گوناگون نیز نیازمند آزمایش های هزینه بر و متعدد می باشد. به همین دلیل، تحقیقات بیشتر به منظور دست یابی به شبیه سازی صحیح این فرآیند لازم و ضروری به نظر می رسد.با وجود ناتوانی مدل جانسون-کوک در پیش بینی تنش سیلان در نرخ کرنش های بسیار بالای معمول در این فرآیند، مطالعات نشان می دهد که تمامی تحقیقات گذشته از این مدل در شبیه سازی این فرآیند استفاده کرده اند. بنابراین انتظار می رود که با استفاده از یک مدل ماده مناسب تر برای نرخ کرنش های بسیار بالا بتوان دقت شبیه سازی های گذشته را بهبود بخشید. تا کنون مدل های ماده بسیاری برای پیش بینی رفتار ماده در نرخ کرنش های بالا ارائه شده اند. ولی بیشتر این مدل ها برای یک فرایند خاص ارائه شده و فقط در شبیه سازی آن فرایند جواب های قابل قبولی را ارائه می دهد. از این رو برای یافتن مدلی که بتواند فرآیند مورد نظر را شبیه سازی کند بایستی پیش بینی های آن مدل با آزمایش های تجربی مقایسه شده و درستی نتایج اثبات شود. به همین دلیل در این تحقیق، تمرکز بر اهمیت استفاده از مدل های ماده مختلف برای نرخ کرنش های بالا در شبیه سازی فرآیند اسپری سرد صورت گرفت. تعداد شش مدل ماده مناسب برای نرخ کرنش های بالا در نرم افزار آباکوس پیاده سازی و سپس با استفاده از آن ها فرآیند اسپری سرد برای فلز مس شبیه سازی شد. مقایسه نتایج نشان داد که مدل ماده انتخاب شده برای شبیه سازی، تاثیر بسیار زیادی در نحوه ی تغییر شکل ذره و زیرلایه می گذارد.لازم به ذکر است که شبیه سازی ها در نرم افزار آباکوس با دو روش انجام گرفت. روش اول استفاده از روش مرسوم المانهای لاگرانژی و روش دوم استفاده از هیدرودینامیک ذرات هموار می باشد. به طور کلی مقایسه نتایج حاصل از این دو روش نشان داد که نتایج هر دو روش تقریبا نزدیک است، با این تفاوت که روش هیدرودینامیک ذارت هموار دمای محل برخورد را کمی پایین تر از المان محدود پیش بینی نمود و از طرف دیگر به مقدار ناچیزی تغییر شکل بیشتر و نفوذ کمتری را نیز برای ذره نشان داد. کلمات کلیدی: فرایند اسپری سرد، شبیه سازی المان محدود، شبیه سازی هیدرودینامیک ذرات هموار، مدل ماده، نرخ کرنش بال