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Tube Hydroforming: System Analysis and Process Design

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M. Strano, Tube HydroForming: System Analysis and Process Design 13 2.1. The tube bulge test In order to obtain reliable data on material properties of the tube, a test procedure should be used, that is as close as possible to the hydroforming process. Although the results of the tensile test can provide information about the stress-strain relationship, they can hardly be used to evaluate formability of tubes for hydroforming, since the tensile test induces a uniaxial state of stress, while the THF process is mainly biaxial. In other words, a test generating a biaxial tensile stress state in the sample (such as a bulging test) would be closer to the real process conditions and this would insure a much more effective evaluation of formability1. The principle of the bulge test is very simple: a metal tubular specimen is loaded with internal pressure (usually hydraulic) and expands, undergoing plastic deformation until bursting occurs. By measuring the internal pressure and the tube deformation at the crown of the tube, much information on its mechanical properties can be attained. Starting from 1980s, researchers in Japan concentrated on determining the material properties and their effects on tube bulging operations. [Manabe and Nishimura, 1983] investigated the influence of the strain-hardening exponent and anisotropy on forming of tubes in hydraulic bulging and nosing processes. They briefly presented the maximum internal pressure as a function of tube radius, thickness, strain hardening exponent, and strength coefficient assuming that there was no axial loading. [Manabe et al., 1984] published their work on examination of deformation behavior and limits of forming for aluminum tubes under both internal pressure and axial force. Axial cylinders and internal pressure were controlled by a computer-control-system to obtain pre-defined stress ratio during their experiments. They utilized fundamental analysis of thin-walled cylinders in their pre-dictions for internal pressure and axial force. Also Fuchizawa [Fuchizawa, 1984], [Fuchizawa, 1990], analyzed bulge forming of finite length, thin-walled cylinders under internal pressure using incremental plasticity theory. He presented the influence of strain- hardening exponent on limits of bulge height. Later, he extended his studies to explore the influence of plastic anisotropy on deformation behavior of thin-walled tubes under only internal pressure. He based his analysis on deformation theory and Hill's theory of plastic anisotropy. Longitudinal anisotropy was found to be effective on the critical expansion limit while anisotropy in hoop direction was affecting the maximum internal pressure required. With increasing anisotropy in longitudinal axis, thinning is reduced while obtainable expansion gets larger with less internal pressure requirement. Experimental results were eventually compared with theoretical findings. Different materials including aluminum, brass and copper were tested in their tooling, which only utilized internal pressure in a closed cavity. Assuming that the tube materials obey power law of strain hardening, experimental and calculated results were found to be in good agreement. Studies of Manabe and Fuchizawa on anisotropy effects were mostly found useful in THF applications involving aluminum products. Hydraulic bulging of tubes was also used in determining the stress-strain characteristics of tubular materials by [Fuchizawa et al., 1993]. Annealed aluminum, copper, brass and titanium tubes were tested under only internal pressure. With the instrumentation and control systems available, tube thickness, radius of curvature in both longitudinal and hoop directions, and internal pressure measured and recorded during formation of the bulge. Using analytical methods by membrane and plasticity theories, stress-strain relations were derived. These findings were also compared with those obtained from tensile tests. Stress-strain relations for aluminum, copper and brass were found to be similar by two tests, whereas that for titanium were different. Since they did not use axial compressive load during bulging, stress-strain relation obtained was limited to low strain values up to 0.7. At the ERC/NSM, tube properties are currently determined by a hydraulic bulge test. A sketch of this test is shown in Figure I-4: the tube is locked on both ends and stretched freely using hydraulic internal pressure. During each experiment, the internal hydraulic pressure and the maximum bulge diameter are measured continuously. These data are used to calculate the flow stress (s ) of the tube material as a function of effective strain (e ) in the form of the equation nK )( 0 ees += , under the assumption of isotropic behavior [Altan et al., 1999], [Aue-u-lan et al., 2000]. If a circle grid is etched on the tubular samples before bulging, the test can also be used to determine the experimental Forming Limit Diagrams and Forming Limit Stress Diagrams [Strano et al., 2000a] directly from the tubes, rather than from the original sheet material roll formed to manufacture the tube. 1 This concept is well established in the scientific literature. See, as an example [Jevons, 1942].
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Informazioni tesi

  Autore: Matteo Strano
  Tipo: Tesi di Dottorato
Dottorato in Tecnologie e Sistemi di Lavorazione
Anno: 2002
Docente/Relatore: Quirico Semeraro
Istituito da: Politecnico di Milano
Dipartimento: DIP. DI MECCANICA
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 138

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fem
hydroforming
simulation
material
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tubes
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