Análise Não-linear de um Componente Estampado pelo Método de Elementos Finitos - Engenharia Estrutural Preditiva 2018

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL, ENGENHARIA ESTRUTURAL PREDITIVA, CAXIAS DO SUL, 26 DE ABRIL DE 2019 
*Acadêmicos do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Especialização em Engenharia Estrutural Preditiva 
Análise Não-linear de um Componente Estampado 
pelo Método de Elementos Finitos 
Eng. Bruno Michael Mollon e Eng. Cassiano Henrique Pereira* 
Resumo 
Este artigo consiste em uma análise de elementos finitos sobre o comportamento de uma peça durante o seu procedimento de fabricação. 
O componente avaliado é fabricado a partir de conformação mecânica. A metodologia adotada para o estudo aborda as características não-
lineares do processo. Para tanto, foram consideradas não-linearidades de contato, considerando o atrito e a fricção existentes na estampagem; 
Não-linearidades de geometria, devido às grandes deformações; E por fim, não-linearidades de material, avaliando o regime plástico atingido 
na fabricação da peça, isso considerado no estudo a partir da aplicação da curva tensão x deformação real do material. O componente 
avaliado, fabricado em aço SAE 1006, apresentou suas maiores tensões de Von Mises nos raios de dobras, típicos concentradores de tensão, 
atingindo valores próximos a 450 MPa. Estes valores superam o limite de escoamento do material em aproximadamente 36%, assegurando 
a deformação plástica do mesmo. 
Palavras-chave 
Análise Não-Linear, Elementos Finitos, Estampagem, Abaqus, Engenharia Estrutural. 
A Nonlinear Analysis of a Stamped Component by 
the Finite Element Method 
Abstract 
This article consists of a finite element analysis of the behavior of a part during its manufacturing procedure. The evaluated component 
is manufactured from mechanical forming. The methodology adopted for the study addresses the non-linear characteristics of the process. 
For this, non-linearity of contact was considered, analyzing the friction existence in the stamping; Geometry nonlinearities due to large 
deformations; And, finally, non-linearities of material, evaluating the plastic regime reached in the manufacturing of the part, this is 
considered in the study from the application of the stress x strain curve of the material. The evaluated component, made of SAE 1006 steel, 
showed its highest Von Mises tensions in the folding rays, typical stress concentrators, reaching values close to 450 MPa. These values 
exceed the yield limit of the material by approximately 36%, ensuring the plastic deformation of the same. 
Keywords 
Análise Não-Linear, Elementos Finitos, Estampagem, Abaqus, Engenharia Estrutural. 
 
I. INTRODUÇÃO 
 
O processo de estampagem é muito utilizado para a 
fabricação de peças em alta escala e cada vez mais está 
presente na indústria automotiva. Pesquisas recentes mostram 
que a combinação entre o processo de estampagem com a 
força de prensagem possibilita a formação de peças com 
geometrias cada vez mais complexas, mais finas e leves que 
proporcionam a geração de componentes com altas 
resistências mecânicas. 
Diante desta tendência vista no mercado automotivo 
principalmente, o presente artigo objetiva-se a realizar a 
análise da estampagem de um componente com uma 
geometria desenvolvida apenas com o intuito acadêmico para 
avaliação do comportamento da estampagem deste 
componente através da utilização de um software CAE. 
Tal geometria possui três regiões de dobra, sendo duas no 
sentido de deslocamento do eixo Y+ e uma no sentido de 
deslocamento do eixo Y- conforme pode ser vista na Figura 1. 
Dessa forma as regiões dos raios das dobras aonde tendem a 
apresentar maiores tensões e estas será identificadas pela 
análise. 
 
 
Figura 1 - Peça a ser analisada. 
 
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O Fluxo para desenvolvimento deste trabalho é baseado no 
fluxo de processos a seguir: 
 
 
 
De forma geral, será um trabalho com caráter principal da 
avaliação de uma análise não-linear pelo método de elementos 
finitos. 
 
II. MATERIAL E MÉTODO 
 
A seguir serão apresentados os materiais e métodos 
utilizado para o desenvolvimento do pré-processamento de 
dados em software CAE para a realização das análises no 
componente. 
 
A. Modelagem CAD 
 
Inicialmente, após a definição da geometria a ser analisada 
esta foi modelada com o auxílio do software 3D CAD 
SolidWorks. Como trata-se da análise do processo de 
conformação mecânica de um componente. Além do 
componente propriamente dito, também se faz necessário o 
modelamento da ferramenta com a geometria requerida para 
o componente. A Figura 2 apresenta as geometrias da base do 
punção (2a), punção (2b) e da chapa a ser estampada (2c). 
 
 
Figura 2 - Componentes modelados no software CAD. 
 
As dimensões da chapa cortada a ser conformada são 
apresentadas na Figura 3. 
 
 
Figura 3 - Dimensionamento da chapa. 
 
 
B. Propriedades do Material 
 
O material utilizado para fabricação do componente é o aço 
SAE 1006. Este material apresenta baixa concentração de 
carbono, porém uma alta ductilidade. O seu limite de 
escoamento é aproximadamente 285 MPa. As propriedades 
desse material exigidas para a realização da análise são a 
massa específica, estipulada em 7.872 g/cm³, as propriedades 
elásticas, sendo elas o módulo de Young com valor de 210 
MPa e o coeficiente de poisson, aplicado como 0,3 [-] 
(HIBBELER, 2010). 
Por fim, as propriedades plásticas, dadas através da inserção 
da curva tensão-deformação do material corrigida de curva de 
engenharia para curva real, a qual é plotada conforme gráfico 
apresentado na Figura 4 apresentando a região plástica do 
material nesta curva. 
 
 
Figura 4 - Curva da região plástica corrigida para o aço SAE 1006 
 
Esta curva apresenta o real comportamento do material. 
Basicamente trata-se da correção da tensão de ruptura da 
curva de engenharia para a curva real. Tal correção pode ser 
vista na Figura 5. 
 
 
Figura 5 - Diagramas tensão-deformação convencional e real para material 
dúctil. 
 
C. Análises Não-lineares 
 
Torna-se de suma importância o entendimento das 
diferentes não-linearidades que podem vir a ocorrer na 
presente análise. Não-linearidades de geometria, são 
Problema 
Teórico FEA Resultado
Interpretação
a 
c 
b 
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caracterizadas por fatores como enrijecimento de tensão, 
grandes rotações na geometria e grandes tensões conforme 
apresentada pela Figura 6A. Em segundo lugar as não-
linearidades de contato são caracterizadas por contatos 
comuns entre componentes, contatos de descolagem e 
contatos com fricção entre as partes conforme apresenta a 
Figura 6B. Por fim as não-linearidades de material são 
caracterizadas por deformações plásticas, hiperelasticidade e 
a fluência do material conforme pode ser visto na Figura 6C 
(NASCIMENTO, 2019). 
 
 
Figura 6 - Casos de não-linearidade em peças. 
 
D. Modelagem CAE 
 
Definidos então a geometria do modelo, a matéria prima e 
suas propriedades e o entendimento sobre os diferentes tipos 
de não linearidades o próximo passo é realizar o pré-
processamento da análise no software CAE. 
Nesse conceito de fabricação, é possível analisar, através do 
método de elementos finitos, as respostas da peça aos 
carregamentos aplicados para sua manufatura. A realização 
dessa análise foi desenvolvida com a aplicação do modelo 3D 
CAD no software Abaqus CAE 2018. A Figura 7 apresenta o 
modelamento realizado já carregado no software CAE. 
 
 
Figura 7 - Modelo da ferramenta e chapa carregada no software CAE. 
 
Após, foram inseridas as propriedades dos materiais 
aplicando as seções específicas para cada componente, o aço 
SAE 1006 no componente conformado com a propriedade de 
densidade equivalente a 7,85e-9 g/cm³. Para o comportamento 
elástico foram adotados o módulo de elasticidade igual a 210MPa, e o coeficiente de poisson igual a 0,3 [-]. Em relação a 
deformação plástica foram adicionados os pontos de tensão e 
deformação apresentados anteriormente pela curva da Figura 
4. 
Para a matriz e punção da ferramenta de conformação foi 
adotado a configuração de material Steel_Linear. Tal 
configuração é uma opção prática para a convergência da 
análise, uma vez que os carregamentos e deformações 
aplicados nestes componentes não são de interesse deste 
estudo. Em vista disso, ambos são considerados rígidos e 
indeformáveis na parametrização da análise de elementos 
finitos. 
Para a não-linearidade de contato, foi necessária a 
caracterização de uma propriedade de contato no software 
Abaqus. Ela foi configurada como comportamento tangencial, 
fricção com direção isotrópica e coeficiente de 0,07 [-]. 
A malha para os componentes é apresentada conforme 
Figura 8. Para a chapa foi gerada uma malha com 7004 
elementos. E para os componentes da ferramenta foram 
geradas malhas com 796 para o punção e 1074 para a matriz. 
 
 
Figura 8 - Malhas geradas para chapa e ferramenta. 
 
As interações de contato entre as superfícies da ferramenta 
e da chapa foram definidas conforme apresenta a Figura 9A 
para o contato entre as superfícies do punção e da chapa e a 
Figura 9B para a superfície da chapa e da matriz. 
 
 
Figura 9 - Interações de superfícies de contato entre ferramenta e chapa. 
 
Também foram restringidos os deslocamentos dos 
componentes na análise. A matriz foi restringida nos eixos X, 
Y e Z enquanto o punção foi restringido apenas nos eixos X e 
Z para possibilitar o deslocamento no eixo Y-. A figura 10 
apresenta a configuração definida e o campo selecionado para 
o deslocamento, este estipulado como 100 mm de 
deslocamento no eixo Y-. 
 
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Figura 10 - Campo de deslocamento na direção do eixo Y do punção. 
 
A seguir foi definida a carga de 19.600 N aplicada no centro 
do punção conforme apresenta a Figura 11. 
 
 
Figura 11 - Ponto de aplicação de carga no punção. 
 
O tempo estipulado para a operação de conformação desta 
chapa, considerando que estamos falando de uma prensa 
excêntrica com característica de produção em larga escala é 
de 1 s para a realização da conformação de cada chapa. 
Após todos os dados do pré-processamento definidos, o 
processamento da análise pôde ser realizado. 
O tempo médio para processamento dos dados foi em torno 
de 4 horas. Após os dados do pós-processamento foram 
obtidos e serão discutidos na seção de resultados. 
 
III. RESULTADOS 
 
Como pós-processamento da análise, foi obtida a 
deformação plástica do componente resultando na Figura 12, 
aonde pode ser observado o deslocamento total do punção e a 
conformação da chapa. 
 
 
Figura 12 - Resultante do pós-processamento da análise. 
 
O conjunto das três não-linearidades pode ser observado 
durante a conformação mecânica por prensagem. Elas são: 
não-linearidade por atrito no contato, resultante dos contatos 
existentes entre o punção, a peça e a matriz; não-linearidade 
de geometria, devido às grandes deformações existentes para 
a conformação do componente; e por fim, a não-linearidade 
de material, que ocorre devido à plasticidade presente no 
regime de carregamento necessário para o processo de 
fabricação. 
A Figura 13 apresentam as tensões de Von-Mises. Nota-se 
um ponto de grande tensão no vínculo entre uma dobra e outra 
gerando um ponto de tensão máxima de 448 MPa. 
 
 
Figura 13 - Tensões de Von-Mises apresentadas na peça. 
 
A Figura 14 apresenta as resultantes das Máximas Tensões 
Principais na peça. 
 
 
Figura 14 - Máximas Tensões Principais apresentadas na peça. 
 
Por fim, a Figura 15 apresenta a máxima deformação da 
peça. 
 
 
Figura 15 - Máxima deformação da peça. 
 
IV. CONCLUSÕES 
O presente trabalho proporcionou a realização da simulação 
através do software Abaqus a estampagem de uma peça e com 
isso, a possibilidade da verificação do comportamento da 
mesma com um dado material específico. 
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A partir disso, nota-se que as regiões de alta concentração 
de tensões conforme apresentadas na Figura 13 são 
observadas justamente raios de dobras da peça. Comparando 
tais pontos com o limite de escoamento do material de 
aproximadamente 285 MPa fica claro que as demais regiões 
aonde o material não é conformado irão atingir tensões 
próximas a esse valor, mas não irão ultrapassa-lo. Estes 
valores superam o limite de escoamento do material em 
aproximadamente 36%, assegurando a deformação plástica 
do mesmo. 
Outro ponto importante de ser observado novamente é a 
presença do comportamento das não linearidades de 
geometria, contato e material presentes neste estudo que 
respectivamente explicam o comportamento do processo de 
prensagem quanto ao aparecimento das altas tensões nas 
dobras da peça, do contato entre ferramenta e peça e também 
do comportamento da peça quando atingido o regime plástico 
deformando o componente conforme solicitado. 
Por fim, conclui-se que o objetivo principal do trabalho foi 
atingido, possibilitando obter-se bons resultados quanto as 
análises e podendo atrelar todo o conteúdo desenvolvido 
durante a disciplina de Análises Não-Lineares do Método de 
Elementos Finitos. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os agradecimentos deste trabalho dedicam-se 
especialmente ao Professor Me. Eng. Vagner do Nascimento 
pelo acompanhamento no desenvolvimento do mesmo e pelas 
aulas ministradas de Análises Não-Lineares do Método de 
Elementos Finitos. À instituição Universidade de Caixas do 
Sul pela disponibilização do laboratório de informática para a 
realização das análises e para presenciar as aulas. Ao 
professor Dr. Eng. Alexandre Vieceli pela coordenação e 
elaboração do presente curso de especialização em 
Engenharia Estrutural Preditiva. 
 
V. BIBLIOGRAFIA 
 
[1] NASCIMENTO, Vagner do. Teoria Mecânica dos 
Sólidos Aplicada à Análises Não-lineares. Caxias do 
Sul: Especialização em Engenharia Estrutural Preditiva, 
2019. 94 slides, color. 
 
[2] HIBBELER, R. C., Resistência dos Materiais, 7ª edição, 
São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. 
 
[3] PORSCH, Marcos Tavares; VIECELLI, Alexandre; 
HANAUER, Vanderlei. Simulação do Processo de 
Estampagem pelo Método de Elementos Finitos e 
Análise da Formação de Microtrincas. 21ª Conferência 
Nacional de Conformação de Chapas. Porto Alegre, 3 out. 
2018.